论文总字数：15240字

摘 要

四旋翼无人机是无人直升机中最具经典特征的一款飞行器，具有结构小巧简单，低噪音，动态飞行控制优良等特点。四旋翼无人机与其他无人飞行器相比较具有独特的军用和民用价值，一直是国内外无人飞行器研究的热点。本文研究内容主要针对四旋翼无人机状态变量间存在强耦合，使得飞行器姿态难以控制的问题。

在研究四旋翼无人机工作原理基础上，建立了四旋翼无人机的动力学模型。运用动态逆方法设计了四旋翼无人机的飞行姿态控制方案，对系统的稳定性进行了分析，设计了相应的动态逆控制器，实现了四旋翼无人机的姿态和位置的解耦控制。为提高动态逆控制系统的抗扰能力，使用基于线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer, LESO）对系统的集中扰动进行估计和补偿控制。控制仿真结果表明基于LESO的动态逆控制器能够实现对目标值的跟踪，且具有良好的鲁棒性。

关键词：四旋翼无人机；飞行控制系统；动态逆控制；解耦控制；线性扩张状态观测器

Abstract

Four-rotor UAV is one of the most classic unmanned helicopters, with small and simple structure, low noise, excellent dynamic flight control and other characteristics. Compared with other unmanned aerial vehicles, the four-rotor UAV has unique military and civil value, and has been a hot topic in the research of unmanned aerial vehicles at home and abroad. Based on four rotor unmanned aerial vehicle strong coupling between state variables, makes it hard for spacecraft attitude control problem,

the study of its working principle and dynamic model, on the basis of using method of the dynamic inverse design four rotor unmanned aerial vehicle flight attitude control scheme, in order to achieve the decoupling control of UAV rotorcraft, make its flight attitude control more flexible. .In this paper, to achieve this goal，the corresponding dynamic inverse controller is designed. Considering the dependence of dynamic inverse control on precise mathematical models ，the dynamic inverse control method based on LESO was used to estimate and real-time compensate the disturbance of the system. Control simulation results show that the dynamic inverse controller based on LESO can track the target value and has good robustness.

Keywords: four-rotor UAV； flight control system； dynamic inverse control；decoupling control； linear extended state observer

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 四旋翼无人机的国内外发展现状 1

1.2.1 国外技术发展现状 1

1.2.2 国内技术发展现状 2

1.3 动态逆理论概述 3

1.4 解耦控制概述 3

1.5 LESO功能概述 3

1.6 本文研究内容 4

第二章 四旋翼无人机的飞行原理与数学模型 5

2.1 四旋翼无人机的结构特点 5

2.2 四旋翼无人机实现飞行控制的基本原理 6

2.3 四旋翼无人机的数学模型 7

2.3.1 四旋翼无人机的位置控制及其坐标转换 7

2.3.2 四旋翼无人机的动力学方程 9

2.4 四旋翼无人机的动力学特性分析 11

2.4.1 四旋翼无人机的稳定性分析 11

2.4.2 四旋翼无人机耦合性分析 12

2.5 本章小结 12

第三章 基于动态逆的四旋翼无人机飞行控制 13

3.1 引言 13

3.2 动态逆控制 13

3.2.1 多变量逆系统控制方法 13

3.2.2 动态逆控制方法 15

3.3 线性扩张状态观测器（LESO） 16

3.4 基于LESO的无人机控制 16

3.4.1 四旋翼无人机姿态动力学模型 16

3.4.2 四旋翼无人机的动态逆姿态控制 16

3.4.3 结合LESO的动态逆姿态控制 17

式中的d是控制系统内部扰动和外部气动环境变化带来的扰动综合 18

3.5 本章小结 18

第四章 仿真与结果分析 19

4.1 MATLAB/SIMULINK工具简介 19

4.2 基于干扰观测器的动态逆仿真搭建 19

4.3 仿真结果分析 21

第五章 总结和展望 26

5.1 工作总结 26

5.2 研究展望 26

参考文献 28

致 谢 30

绪论

课题研究背景和意义

四旋翼无人直升机（以下简称无人机）主要关键特点是无人驾驶，分为两种操控模式，分别为地面遥控操作和自主智能飞行。

无人机满足垂直起降，空中稳定悬浮，精确循迹的飞行要求，而且结构有相当一部分的冗余空间，可以搭载相应的设备，故而在现实生活中无论是军事用途还是民间用途都有相当大的利用价值。在军事上，无人机可以用于恶劣地形或者夜间的战场侦察，也可以用于给后方炮击部队设置炮弹的导引信标，还可以在电子战中作为信号中继点^［1］。而在民间运用上，无人机甚至可以起到更大的作用。例如近年来电商京东一直在开发无人机快递服务，而平日里无人机也是激发青少年向往天空，热爱户外探索的娱乐工具。而在重大节日里，无人机编队也可以替代高污染的烟花爆竹，通过搭载的灯光，为节日带来礼赞。因为这些巨大的实用价值以及空前的发展潜力，无人机项目一段时间以来一直是国内外重点研究的飞行器项目。

在如今这个逐渐智能化，自动化的时代，无人机作为一个重要的发展方向备受世界各个大国的青睐。其中以美国为首发达国家自上个世纪五六十年代就已经在研究具有实用价值的无人机了。但是由于时代的局限性，无人机的正式大规模实用化过程直到近年来才获得加速。

四旋翼无人机的国内外发展现状

四旋翼的无人直升机这一概念的出现最早可以追溯到上个世纪初，但是实用化的无人机的理念直到上个世纪六十年代才出现。而真正得到大力发展更是近些年才发生的事情。研究方向主要集中在基于各种理论的飞行控制。

国外技术发展现状

最近，美国大学的科研团队开发并设计了一种名为“蜻蜓”的四旋翼无人机。工作组明确提出使用放射性核素来驱动四旋翼无人机。该无人机可以用于探测火星这种拥有大气的行星或者卫星。无人机可以收集大量的样本，并在相对有限的航行时间内飞行更长的时间。这表示它可以具有更大的检测半径和使用价值。

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