小型无人直升机具有独特的垂直起降、空中悬停、机动飞行等特点,因此在军事和民用领域具有非常广泛的应用前景。然而,小型无人直升机在飞行过程中会受到阵风和模型不确定性等复合扰动影响,其扰动又可分为匹配扰动和非匹配扰动两种类型,而对非匹配扰动的抑制相对比较困难。因此,设计高性能的小型无人直升机自主飞行控制系统是目前学术界的研究热点之一。针对小型无人直升机的以上特点,本文主要对小型无人直升机的鲁棒飞行控制算法进行研究,并提出了几种基于扰动观测器的高性能飞行控制算法。具体而言,本文的研究工作主要包括以下几个方面:1、参考小型无人直升机建模方面已有的研究成果,详细阐述了小型无人直升机的非线性模型。通过分别讨论机体运动学特性、机体动力学特性以及主旋翼系统的挥舞动力学特性,建立了小型无人直升机的完整非线性模型。并通过深入分析其受到的作用力和力矩,合理简化了小型无人直升机模型,为有效地研究控制器奠定基础。2、在小型无人直升机线性化动态模型的基础上,采用内-外环的双环控制策略设计飞行控制器。针对内环速度模型受到非匹配扰动影响,提出了一种模型重构方法,将初始非匹配扰动转换为匹配主部和非匹配副部,并通过前馈补偿匹配主部,采用H_∞方法抑制补偿误差和非匹配副部。外环位置控制器采用动态逆设计方法。数值仿真结果表明飞行控制器具有良好的控制性能,并对模型不确定性和外界扰动具有很好的鲁棒性。3、针对小型无人直升机系统同时受到匹配扰动和非匹配扰动影响,并考虑到传统滑模控制方法只对匹配扰动具备鲁棒性,却对非匹配扰动敏感的缺点,设计了一种基于非线性扰动观测器的新型全局滑模控制方法。通过近似输入-输出反馈线性化方法实现小型无人直升机系统的解耦;进而构建带有非匹配扰动信息的新型全局滑模面,提出了一种新型滑模控制器;基于李雅普诺夫定理证明了新型全局滑模控制方法对非匹配扰动具有很好的鲁棒性;并通过数值仿真验证了新型全局滑模控制器比传统滑模控制器具有更优越的控制性能。4、多变量Super-twisting算法作为一种二阶滑模算法,能够有效地抑制甚至消除一阶滑模算法中的抖振现象。但是,现有的多变量Super-twisting算法,控制参数较多,且对直升机扰动的适应性较差,难以在小型无人直升机的控制器中实现。为此,推导出了一种更适用于小型无人直升机控制的改进多变量Super-twisting算法。利用反步方法的系统化设计步骤构建飞行控制器的基本结构,解决小型无人直升机的欠驱动问题;基于改进的多变量Super-twisting算法设计扰动观测器估计系统扰动,并进行前馈补偿,进而利用改进多变量Super-twisting控制方法抑制补偿误差。基于李雅普诺夫定理证明了闭环直升机系统是大范围渐近稳定的。最后,数值仿真表明该飞行控制器具有优越的控制性能,并且对匹配扰动和非匹配扰动都具有非常好的鲁棒性。