旋翼飞行器利用螺旋桨的高速旋转产生升力,可实现悬停和垂直起降,并且可通过控制其姿态实现前后左右任意方向飞行。由于可以垂直起降,旋翼无人机对起飞和降落场地要求较少,因此在使用的过程中有更大的灵活性。四旋翼是旋翼飞行器中最常见的一种。四旋翼除了具备上述特点外,还具有结构对称、控制相对简单、操控性强的特点,具有广阔的应用前景。四旋翼位姿精确控制是四旋翼执行任何飞行任务的基础,深入研究该问题具有重要的意义。此外,在实际应用中,执行器饱和会对控制器的性能甚至稳定性产生极为不利的影响。因此,深入讨论四旋翼位姿控制方案,并设计出一个在输入饱和下仍然能够实现对四旋翼位姿进行精准控制的控制器是非常必要的。本文主要研究内容如下:本文首先利用Lagrange法求得了“+”型四旋翼的精确动力学模型。其中,介绍了“+”型和“X”型两种四旋翼的结构及其机动原理。为了方便动力学模型的建立,分别选定了地面和机体坐标系,研究了两个坐标系的转换关系。此后根据四旋翼在两个坐标系中的位姿信息,利用Lagrange方法求得“+”型四旋翼动力学模型。针对四旋翼位姿控制问题,研究了PID控制和类反步非线性控制方法在四旋翼位姿控制上的应用,并分析了输入饱和对控制效果的影响。四旋翼是一个非线性,强耦合,欠驱动的被控对象,要实现其位姿的精确控制具有一定的挑战性。通过研究其动力学模型,可以发现四旋翼位置欠驱动部分可以通过对姿态角的控制来实现。因此,将四旋翼控制问题解耦为内外环结构,内环为全驱动部分,外环为欠驱动部分。外环采用PID控制器。针对内环,分别设计了PID控制器和类反步非线性控制器,分析了两种控制器的稳定性和在四旋翼位姿控制上的应用效果,并对比研究了输入饱和现象对控制效果的影响。通过观察发现,输入饱和情况的出现会严重降低控制器的控制效果。针对输入饱和下四旋翼飞行器位姿控制的问题,设计了输入饱和滑模控制方法并研究了其稳定性和控制性能。输入饱和情况的出现会导致控制器稳定性的证明更加困难,在实际应用中会导致控制器的性能降低甚至不稳定。为解决该问题,借助饱和函数、有界函数等引理和性质,给出了输入饱和滑模控制器定理,并证明了其渐进稳定性。继而,对比研究了PID控制器、类反步非线性控制器和输入饱和滑模控制器在四旋翼飞行器位姿控制上的控制效果。研究发现,本文所设计的输入饱和滑模控制器具有更小的超调和更短的过渡时间。最后,基于Quanser公司的Qball 2平台对输入饱和滑模控制方法进行了实验验证。简要介绍了Quanser系统的软硬件平台,结合Qball 2电机特性对滑模控制器进行了适当的修正,实现了对四旋翼位姿的高效控制。从实验结果可以看出,本文所设计的滑模控制器可在输入存在较大饱和的情况下有效地实现对四旋翼位姿的精确控制。