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旋翼式飞行器因其起飞和降落所需空间较少,在障碍物密集环境下的操控性较高,以及飞行器姿态保持能力较强的优点,在民用和军事领域都有广泛的应用前景。其中,小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟,并为自动控制,先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器人智能控制,三维路径规划,多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面,小型四旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。本论文对小型四旋翼飞行器的多种飞行控制算法展开研究,并通过大量的计算机仿真加以验证。论文的主要工作和贡献如下:1)小型四旋翼飞行器动力学建模:将四旋翼飞行器看作刚体,选取影响飞行器运动的关键受力和力矩,之后根据牛顿定律和欧拉方程,推导出关于三个平动位移量和三个转动位移量的动力学方程。2)基于经典PID算法的四旋翼飞行器系统的控制:设计了一个基于经典PID算法的控制系统。在该系统中,将整个控制结构分为内环控制(姿态控制)和外环控制(飞行位置控制)两个闭合环路,分别进行设计。该控制系统可使飞行器准确飞抵目标位置,并在该位置保持盘旋状态下的稳定。3)基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的控制:根据四旋翼飞行器系统的状态方程,运用Backstepping方法推导出使系统稳定的控制量表达式。仿真结果显示,该控制器与基于经典PID算法的控制器相比,在系统响应超调,上升时间和稳定时间三个方面均有明显改善。4)基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的自适应控制:在之前设计的基于Backstepping方法的控制器的基础上,设计了分别针对未知质量和外界干扰的估计器,从而使新设计的控制器具有自适应性。仿真结果显示,该控制器在飞行器质量阶梯式递减和存在一定形式的外界小扰动的情况下,仍然能保持系统的稳定,从而验证了该控制系统的鲁棒性。纵观全文,在所建立的小型四旋翼飞行器动力学模型的基础上,本文在控制系统的设计过程中遵循了由简单到复杂的方法论,在前一步设计的控制系统基础上引入新的控制算法和结构,使飞行器最终在基于Backstepping方法的自适应控制系统的控制下,表现出良好的稳定性和鲁棒性,从而为四旋翼飞行器的实际工程应用提供了重要的理论基础。