无人机具有占地小、价格低、效率高、性能优异等特点,因此无论应用在军方或者商用,无人机的未来都具有无限的可能。其中,最引人注目的莫过于四旋翼飞行器,四旋翼飞行器作为一种蝶形飞行器,具有众多固定翼飞行器都无法做到的功能。因此它是当前各国研制的无人机中应用次数最高、功能最广泛、研究最透彻的旋翼飞行器。四旋翼飞行器是一个复杂的欠驱动系统,无人机在室外飞行时,抗风扰是不可回避的实际问题,故无人机是否能够平稳地、具有较强的自适应能力以及快速灵活地机动飞行,其关键在于飞行控制系统稳定性能的优劣。因此,研究四旋翼飞行器的控制方法具有一定的理论意义和实用价值。本文针对四旋翼控制方法的研究如下所示:(1)首先对飞行运动原理进行了详细的介绍,对地面坐标系和机体坐标系进行了定义并阐述其两者之间的转换关系。利用其转换关系在分析四旋翼的力与力矩后,利用牛顿定律和欧拉方程建立其非线性动力学模型。(2)针对于四旋翼姿态系统,考虑到四旋翼为欠驱动系统,模型无法精确建立,飞行时存在外部不确定干扰,故本文采用自抗扰控制器(ADRC)控制,该控制器的一大优势就是不需要精确的数学模型。本文首先将其拆分为三个通道:横滚、俯仰、偏航,分别对其设计控制器进行控制。设计该控制器时将其内部耦合和外部扰动一同作为姿态系统的总扰动,并设计非线性扩张状态控制器进行实时估计,通过非线性误差反馈控制器进行补偿。针对单闭环控制器鲁棒性弱、抗干扰能力差等缺点,本文以横滚角为例,构造了基于自抗扰理论的四旋翼姿态串级双闭环控制器,内外回路均采用自抗扰控制器进行控制;最后通过MATLAB仿真,在存在外界干扰状态下将串级自抗扰算法与串级PID和PD+ADRC控制算法进行了对比。验证了本章所设计的控制方法是可行且有效的。(3)针对于原始自抗扰控制器均为非线性函数,参数较多且调节复杂,在实际应用中难以简单快速的实现其控制需求。高志强教授提出了线性自抗扰控制器(LADR C),通过将参数与频域尺度相关联,将整定参数简化到了三个。本文采用了高志强教授的控制算法,将线性自抗扰控制器作为所设计控制器的内环,利用其线性扩张状态观测器估计总扰动量并通过内部的PD控制器补偿掉。外环则采用无模型自适应控制,这种控制方法可以在仅仅知道被控系统的输入输出条件下实现对系统的控制,算法的核心是引入一个伪偏导数,被控系统采用紧格式动态线性时变模型来替代系统模型。本章还证明了所设计双闭环控制器的稳定性。最后通过MATLAB仿真研究和室外飞行实验证实了所使用串级双闭环控制方法在参数减少的基础上也可以保证良好的控制效果。