【摘 要】
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进入21世纪,随着关键元器件小型化和传感器精度的进一步提升,促使四旋翼无人机这种具有结构简单,可靠性高,简单易用等特点的小型无人飞行器进入智能决策与控制的发展成熟期,世界各国纷纷投入大量资金抢占市场先机。其不仅被广泛应用于军事侦察与作战,还在搜索救援、地理勘探、航拍摄影等领域大放异彩。作为一种典型的四输入六输出的欠驱动系统,四旋翼同时具备强耦合、强非线性等特性,使得控制器的设计面临很大的挑战。本文
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进入21世纪,随着关键元器件小型化和传感器精度的进一步提升,促使四旋翼无人机这种具有结构简单,可靠性高,简单易用等特点的小型无人飞行器进入智能决策与控制的发展成熟期,世界各国纷纷投入大量资金抢占市场先机。其不仅被广泛应用于军事侦察与作战,还在搜索救援、地理勘探、航拍摄影等领域大放异彩。作为一种典型的四输入六输出的欠驱动系统,四旋翼同时具备强耦合、强非线性等特性,使得控制器的设计面临很大的挑战。本文针对带有外部扰动量及系统参数摄动下的四旋翼无人机位置姿态回路设计了分数阶PIλDμ控制器,具体工作如下几个方面:（1）建立了四旋翼无人机动力学模型。首先,本文在一些合理的条件下分析了四旋翼无人机飞行时的受力情况,并在假设无人机姿态角变化很小的情况下建立了四旋翼无人机的动力学模型。（2）提出了一种基于频域多目标的分数阶最优鲁棒控制器参数整定方法。在建立了四旋翼数学模型的基础上采用分数阶PIλDμ控制器对四旋翼位置姿态进行控制,并提出了一种基于频域多目标的分数阶最优鲁棒控制器参数整定方法。该方法求解以开环系统截止频率邻域内多个等距分布特征频率点的增益鲁棒性条件为多目标函数,幅值、相角裕度、高频噪声等条件为约束的多目标优化问题,并使用MOPSO方法求得该多目标优化问题并获得了使分数阶PIλDμ控制器频域增益鲁棒性增强的参数向量。通过仿真分析得到本文提出分数阶最优鲁棒控制器能更好的控制四旋翼无人机。（3）提出了一种基于频域QP方法的分数阶微积分算子有理实现方法。在获得了最优鲁棒控制器参数向量后,本文针对分数阶微积分算子和模型在进行有理实现时,存在有理逼近函数近似精度低、不能指定任意逼近频率段等问题,基于最小二乘法误差准则,提出了一种基于频域误差的QP方法。该方法通过将分数阶算子sr和其有理逼近函数之间的频域误差极小化运算转化为一个二次规划问题,并通过求解最优矩阵得到逼近整数阶模型。仿真结果表明,本文提出分数阶算子有理逼近方法相较其他传统方法更加有效。（4）最后,在四旋翼无人机系统中引入干扰观测器进一步抑制外界干扰。通过Simulink仿真实验,利用本文控制器设计方法得到的四旋翼无人机控制系统可以有效跟踪期望输入,并能有效减小外界干扰的影响。
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