小型无人直升机飞行控制技术作为国内外科研学者的研究热点,已经有很多优秀的控制方案存在。本文以某样例直升机为研究对象,围绕小型无人直升机的动力学建模与悬停姿态最优控制展开研究,并对控制器进行扰动测试验证控制器性能。论文主要研究内容如下:首先,对小型无人直升机的动力学特性进行分析,使用机理建模法构建小型无人直升机的非线性模型。直升机非线性模型主要由刚体运动方程组、旋翼挥舞方程组、力与力矩方程组三部分组成。其次,根据已经建立的小型无人直升机非线性模型搭建SIMULINK仿真平台,模拟测试直升机悬停状态下的期望运动行为,并与真实直升机在悬停状态下的定性行为进行比较,仿真结果表明,在悬停状态下,初始化的非线性模型的行为状态接近于真实直升机的定性行为。采用平衡点线性化方法和黑箱方法对直升机非线性模型作线性化处理,建立系统的线性状态空间模型。为了证明线性模型在工作点附近能够描述非线性模型的动力学特点,对两种模型在相同的控制输入下的输出响应进行对比,仿真结果表明,在给定的相同控制输入下,线性模型与非线性模型输出响应状态趋势基本一致,为后续控制器的设计提供了支持。然后,基于线性二次型最优控制设计无人直升机悬停姿态控制器,假设小型无人直升机所有状态都已知,详细论述该平稳LQ控制器的设计方法与设计目的,期望驱动直升机进入悬停状态并保持稳定,在控制器能稳定直升机前提下,对相关加权矩阵进行调整来加快直升机姿态角收敛速度。同时,考虑到小型无人直升机在线性化过程中引入的平移速度上的稳态误差,引入尾桨扰动模型与积分模块对LQ控制器进行优化减小甚至消除系统平移速度稳态误差,提升整体控制性能。在不同闭环系统下分别对非线性模型进行仿真,分析悬停姿态响应结果,验证方法的有效性。接着,针对小型无人直升机受控系统部分状态无法通过测量获得的问题,设计了具有预测作用的卡尔曼滤波器,对状态矢量进行估计。卡尔曼观测器引入至LQ控制器中,造成控制输入与部分状态持续震荡,在保证控制器能够控制直升机悬停的基础上,对LQ控制器相关加权矩阵进行反复修改与仿真调试来减小持续震荡带来的影响,最终得到了令人满意的效果。最后,对设计的基于卡尔曼滤波器的平稳LQ控制器进行扰动测试,分别设置不同的扰动场景,观察控制器驱动受控系统的表现。仿真结果表明,设计的控制器能够在扰动环境中完成驱动直升机悬停的任务,具有一定的鲁棒性,为今后有关无人直升机仿真控制工程实践提供了经验。