随着计算机、传感器和各种通信技术的发展,四旋翼无人机因为其结构简单、操作灵活等优点被应用于各大领域,具有十分广阔的应用前景。四旋翼无人机的控制系统一般分为位置系统和姿态系统,相对于位置系统,姿态系统的分析和设计更为复杂,控制性能的要求也更高。因此,国内外的诸多学者在无人机的控制问题上做了大量的研究。相对于传统的渐进稳定性或者指数稳定性控制方法,利用有限时间稳定性的方法来分析控制系统,可以使系统误差更快的收敛,跟踪性能更好,同时对于存在的扰动具有更强的鲁棒性。因此从有限时间控制技术出发来设计四旋翼无人机的姿态控制系统是研究的重点。另一方面,由于四元数相对于欧拉角来说可以实现全姿态控制且无奇异性,本文利用四元数来表示无人机的运动学模型。本文进行的研究工作和成果主要包括以下几个部分:第一,针对执行器输入饱和、故障和存在外部不确定扰动的四旋翼无人机的姿态控制问题,使用终端滑模技术和自适应控制算法,设计有限时间的姿态控制器。首先根据无人机的动力学模型推导出基于误差的动力学模型,利用终端滑模的设计简单,鲁棒性好等特点,结合自适应控制算法,实现无人机姿态的有限时间控制。仿真结果表明了该控制方法可以实现在有限时间内将姿态误差收敛到平衡点附近的邻域。第二,针对四旋翼无人机模型参数无法精确建模和存在未知外部干扰等问题,结合有限时间控制技术和干扰观测器技术,设计有限时间姿态跟踪控制器。在设计该控制器过程中,通过设计观测器对总扰动进行估计。为了提高误差的收敛速度和有限时间的收敛性能,使用双幂次趋近律。仿真结果最后表明了该控制方法可以实现有限时间的状态跟踪。第三,针对存在输出约束的无人机的姿态跟踪问题,基于状态约束的有限时间控制方法。在已有的四元数的姿态模型的基础上,和传统的障碍李雅普诺夫解决约束问题不同,首先进行系统变换,将系统变成一个带有输出约束参数的新系统,把姿态跟踪问题转化为判定系统有界问题。然后,利用动态面技术和有限时间控制技术设计最终的控制器。仿真结果表明系统的状态约束在给定的约束边界内。