摘要
四旋翼飞行器由于其垂直起降、易于操作等特点，在民用和军用领域都有广泛的应用，但其在控制方面面临着非线性特性、欠驱动性、耦合效应、风干扰和参数不确定性等挑战。由于其非线性特性和欠驱动性，控制设计和分析变得复杂，而耦合效应会导致控制一个自由度时对其它自由度产生影响。风干扰和参数不确定性也会对飞行器的性能和控制精度产生影响。因此，解决这些问题需要综合考虑多个方面，设计相应的控制算法和策略，以实现稳定和精确的飞行控制。本文以四旋翼无人机为算法设计对象，针对单机的位姿控制与多机编队问题，开展了单无人机的位姿控制算法与多无人机的编队控制算法的研究，主要研究内容如下： 首先，为了便于对无人机的姿态和位置控制进行分析，介绍了描述无人机运动的相关坐标系并建立了其转换关系，建立了四旋翼无人机在风场环境下的动力学模型。对风干扰下的四旋翼无人机的受力进行分析，然后根据牛顿-欧拉方程推导出四旋翼无人机的动力学模型，为接下来的研究工作奠定了模型基础。 其次，针对单无人机的姿态与位置控制问题，研究了单无人机的位姿控制算法，姿态控制部分采用参数自整定的自抗扰控制方法，引入扩张状态观测器对扰动进行实时观测，并对控制量输出环节进行参数自整定。对于位置控制，首先采用线性化方法简化无人机的系统模型，然后设计模型预测控制器实现位置跟踪，并设计扩展状态观测器预测向量以消除不确定干扰。最后通过仿真和飞行实验分析方法的有效性。 最后，针对多四旋翼无人机编队在飞行过程中队形形成与保持问题，采用分布式模型预测控制方法，在第3章单无人机模型预测控制的基础上，通过引入自身和相邻无人机之间的预测位置差保持期望队形，并通过每架无人机预测的位置使用人工势场法来避免无人机之间的碰撞。通过仿真来验证改进的分布式模型预测控制的有效性。
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