摘要
四旋翼无人机在如今的社会发展中具有非常广泛的应用，它的体型较小，操作难度低且方便，在日常出行、生产领域和军事应用等方面都有很大的使用空间，深受摄影人士和技术人员的关注。随着控制技术的不断发展以及飞行任务的复杂化，对四旋翼无人机系统提出了更高的控制要求，也给四旋翼无人机是否能够稳定控制带来了挑战。由于预定性能控制具有收敛速度快，暂稳态性能好等优点，四旋翼无人机的预定性能控制成为了当下研究的热点问题。在现有研究成果的基础上，本文基于动态表面控制方法和自适应控制方法，研究了四旋翼无人机系统的指定时间预定性能控制问题。主要研究工作归结如下 首先，根据四旋翼无人机的飞行特性，利用牛顿-欧拉方法建立完整的四旋翼无人机数学模型，并对预定性能控制相关理论和推导进行适当阐述。 其次，研究具有时变有效载荷和动力学参数未知的四旋翼无人机系统，针对位置子系统和姿态子系统，分别设计了自适应预定性能动态表面控制和鲁棒自适应控制方法。位置环采用自适应控制方法对未知负载边界进行估计，并与动态表面控制方法相结合，设计了自适应预定性能位置跟踪控制器；针对姿态环，提出了鲁棒控制器设计方法。利用Lyapunov稳定性理论证明了双闭环系统跟踪误差最终一致有界稳定。仿真结果验证了该方法的有效性。 接着，考虑四旋翼无人机系统面对外部扰动和动力学参数未知的情况，提出了一种双闭环自适应预定性能控制设计方法。采用自适应控制方法对动力学参数以及外部扰动的未知界进行估计，基于动态面技术，结合反步递推设计方法，实现了四旋翼无人机内环和外环的预定性能控制。利用Lyapunov理论证明了四旋翼无人机闭环系统的稳定性，仿真结果验证了所提出控制方法的有效性和优越性。 最后，针对具有执行器故障的四旋翼无人机系统，研究了具有未知外部扰动和未知系统参数的四旋翼无人机系统的指定时间预定性能容错控制问题。对于位置环和姿态环，提出了一种新的基于自适应动态表面控制框架的指定时间预定性能控制策略，实现了位置跟踪误差和姿态跟踪误差能在指定时间内收敛且满足预定暂稳态性能的要求；设计中自适应技术的引入取消了系统中参数已知的限制。最后，通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性，数值仿真验证了所提出的控制方案的有效性和优越性。
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