知识水平和科技发展速度制约，它在很长段时间里并未受到足够重视和发展。年，第架旋翼式飞行器诞生，主框架由四根管支架组成，并按水平十字交叉分布，在末端分别固定了长双层旋翼，处于对角线位置旋翼，对按顺时针方向旋转，另对按逆时针方向旋转飞行员坐在支架交叉点，只有油门作为唯控制设备，可以说并没有实现真正意义上飞行，但这种四旋翼思想，为四旋翼发展开辟了先河。之后，年美国军方与和开始共同研制架大型四旋翼机，十字交叉结构，末端采用直径为米六翼片旋翼，整体重量达到之多，最高飞行高度在左右。由于在当时该飞行器动力不足结构过于复杂性能低下安全性差，军方对这款飞行器研究逐渐失去了兴趣。国内外研究现状近些年来，处理器传感器和驱动装置等技术飞速发展促进了四旋翼研究和设计。微型四旋翼无人机潜在应用前景和使用价值吸知识飞行原理坐标定义系统模型自适应理论本章小结第三章四旋翼无人机控制算法设计无人机系统控制结构基于自适应控制算法控制律设计稳定性分析实验结果与分析基于四元数参数化自适应控制算法控制律设计稳定性分析实验结果与分析本章小结第四章执行器加性故障容错控制算法设计执行器故障分类基于自适应容错控制算法容错控制律设计稳定性分析实验结果与分析本章小结第五章执行器乘性故障容错控制算法设计乘性故障单故障容错控制算法容错控制律设计稳定性分析实验结果与分析多故障容错控制算法容错控制律设计稳定性分析万方数据实验结果与分析本章小结第六章总结与展望全文总结未来展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写论文致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文专用术语注释表专用术语注释表符号说明符号名称单位体坐标系位置地坐标系位置滚转角俯仰角偏航角无人机轴转动惯量无人机轴转动惯量无人机轴转动惯量重力加速度转子惯量体坐标系角速度螺旋桨角速度控制输入旋翼臂展推力系数阻力系数推力无人机质量万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论人类从古代开始，就对广阔天空充满幻想，随着科技飞速发展，各类飞行器作为探索天空主要工具，直受到广泛地关注与研究。近年来，世界各国都对无人机,进行了研究，美国俄罗斯等军事强国已经制造出了具备长航时和作战功能大型无人机，与此同时也开始了对小型和微型无人机重点研究，而四旋翼无人机作为微小型化杰出成果，逐渐成为了该领域主要研究对象。本章主要对四旋翼无人机背景意义，研究现状等做些简要介绍。研究背景与意义微型无人机，具有体积小质量轻可重复使用等特点，近年来成为了无人飞行器发展主要趋势。微型无人机可代替人类进入些极端条件区域执行任务军事上，可用于执行近距离低空侦察电磁干扰目标监视等复杂任务民用和科技上，除了已经非常普遍高空照相气象勘测地图测绘，微型无人机正逐渐成为宇宙探索重要工具之。作为种复杂动态系统，关于无人机运动学和动力学研究对更好地理解其物理特性有重要意义，建立了合理系统模型之后，要想实现更好稳定性，如何设计控制算法结构显得尤为重要。在飞行过程中，特别是无人自主飞行中，总是会发生些不可预计难以避免情况，比如与飞鸟或昆虫碰撞遇到强风暴雪等。这些情况都有可能直接导致无人机无法正常完成目标任务，我们称之为发生故障。如果遇到故障情况，无人机飞行品质般会大大降低，甚至严重影响飞行安全，导致坠机，所以设计故障诊断隔离,与容错控制,策略对于保证无人机安全性能是必不可少。四旋翼飞行器是无人机中具有垂直起降,特性类，这种性能来源于其特殊动力结构。根据飞行原理和驱动方式不同，飞行器可以分为两类轻于空气型,和重于空气型如图。而表则列出了不同飞行器之间性能比较，从表中，不难发现，可垂直起降型飞行器，如直升机，与其他类型飞行器相比，具有很大优势。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论飞行器轻于空气重于空气无动力动力无动力动力飞艇气球滑翔机固定翼旋翼扑翼直升机飞机类鸟机图飞行器基本分类表飞行原理比较劣，优飞艇飞机直升机类鸟机功耗可控性负载机动性稳定性易损性垂直起降续航可微型性总计微型无人机利用旋翼提供升力克服自身重量，实现空中飞行。般根据旋翼类型不同分为以下三类固定翼无人机目前应用广泛技术成熟种机型，外形设计和空气动力结构基本是借鉴了大型飞机已有原理和设计经验，具有飞行距离远，飞行速度快等优点，比较适合于远距离大范围应用场景。但是为了满足基本升力要求，固定翼无人机通常必须具备定机翼面积和飞行速度，因此固定翼无人机微型化已经到达瓶颈，且其灵活性差，不能实现在空中悬停，对起降要求较高。旋翼无人机主要用于直升机设计与制造，外形设计和空气动力结构也可以借鉴直升机已有理论和设计经验。旋翼无人机通过调整旋翼转速完成各种飞行动作，能够实现悬停飞行，控制效率高机动性好起飞和降落容易，微型化前景较好。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论扑翼无人机自然界中昆虫和鸟类般都是扑翼式飞行，是生物进化最优飞行方式。扑翼无人机可以迅速起降和悬停，具有更高机动性，微型化程度更大。但扑翼式飞行原理复杂，缺乏完善理论指导，外形设计和空气动力结构设计方面理论和经验都很少，另外要模仿昆虫腔体翅膀机构，制造出类似机械结构，难度很大，所以扑翼式无人机只是未来新研究方向之，目前仍难以实现。表垂直起降飞行器性能比较劣，优功耗可控性负载机动性机械简单性空气动力复杂低速飞行高速飞行小型化续航静态飞行总计传统直升机，单主旋翼带尾桨式，共轴双旋翼，纵列式双旋翼，四旋翼，软体飞行器，类鸟飞行器，类昆虫飞行器。表为不同结构之间关于功耗可控性机动性等比较，可以看出，四旋翼如图和共轴双旋翼是最佳飞行器机械结构。旋翼无人机能够应用于复杂狭小环境，能够实现悬停侧飞倒飞等各种飞行姿态，且机身结构相对简单。这些优点决定了旋翼比另外两种机型具有更广阔应用前景。但旋翼无人机也有不足之处，受限于单个旋翼桨盘面积，单个螺旋桨产生升力较小，因此通过增加旋翼数量来增大升力是解决问题有效方法，目前已存在包括双旋翼四旋翼六旋翼八旋翼等。四旋翼无人机特点如下体积小重量轻，可在各种复杂空间内垂直起降微小型四旋翼无人机飞行高度为几百米，飞行速度可达每秒几十米，机动性强，可进入建筑物或洞穴隧道内执行特殊任务结构简单，成本较低，拆卸方便，易于维护。由于四旋翼种种优点，使其成为目前无人机方面研究热点，各国学校和机构都在对其进行深入挖掘和开发。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论图四旋翼无人机研究历史与现状人类关于飞翔执着贯穿了整个人类史，作为人类最伟大理想与挑战之，飞天热情已经持续了几千年，经历了无数次尝试与失败。如今，些科技强国不仅实现了飞天愿望，甚至已经能够冲出地球，进行外太空探索。旋翼机研究历史与固定翼飞行器相比，旋翼机历史是相当短暂。中国人也许是发明旋翼机鼻祖，中国古代竹蜻蜓如图是有记载最类似直升机物品。十五世纪后期，达芬奇设计了种螺旋形装置如图，被认为是旋翼机研究史上第次有时代意义尝试。图竹蜻蜓模型图达芬奇螺旋装置万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论莱特兄弟早在年就制造出了第架能载人飞行器，拉开了人类航空史序幕，但旋翼机发展却十分缓慢。四旋翼，又称，它设计可以追溯到世纪初期，但受到知识水平和科技发展速度制约，它在很长段时间里并未受到足够重视和发展。年，第架旋翼式飞行器诞生，主框架由四根管支架组成，并按水平十字交叉分布，在末端分别固定了长双层旋翼，处于对角线位置旋翼，对按顺时针方向旋转，另对按逆时针方向旋转飞行员坐在支架交叉点，只有油门作为唯控制设备，可以说并没有实现真正意义上飞行，但这种四旋翼思想，为四旋翼发展开辟了先河。之后，年美国军方与和开始共同研制架大型四旋翼机，十字交叉结构，末端采用直径为米六翼片旋翼，整体重量达到之多，最高飞行高度在左右。由于在当时该飞行器动力不足结构过于复杂性能低下安全性差，军方对这款飞行器研究逐渐失去了兴趣。国内外研究现状近些年来，处理器传感器和驱动装置等技术飞速发展促进了四旋翼研究和设计。微型四旋翼无人机潜在应用前景和使用价值吸,万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文附录攻读硕士学位期间撰写论文附录攻读硕士学位期间撰写论文,和检索万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文致谢致谢时光飞逝，我在南邮学习生活随着论文收尾也将划上句号，内心充满喜悦同时心情却又无法平静。回想起来，我收获每点收获，都与师长教诲和同学朋友关心帮助是分不开。回首过往岁月，首先要感谢我导师曹科才老师，是他无微不至关怀和帮助使我顺利地完成了硕士阶段课题研究。曹老师在繁重科研与教学工作同时，对我学业给予了极大支持与鼓励。刚进入课题时候，我很迷茫，不知道如何下手，曹老师知道我怎样查找文献怎么阅读文章以及如何从中获取有用信息，经过近学期适应与学习，我才找准了课题切入点在无人机研究过程中，不管遇到什么疑问，曹老师都会尽快给我解答，指导我在理论上寻求创新，并通过实验取得验证在此论文写作过程中，我暴露了许多不足之处，不仅仅是学术研究方面，还包括撰写论文各种小细节，多亏曹老师花了很多时间不遗余力地帮我修改，做到尽善尽美。在这近三年相处中，曹老师渊博学识严谨态度饱满热情以及对学生无私关爱都深深地感染了我，从曹老师身上，我学会了很多做人道理和治学经验，这些都将使我终生受益。感谢家人对我学业支持，他们关心与理解是我不断前进动力。最后，感谢对本文进行审阅并提出指正意见所有评审老师。万方数据四旋翼无人机自适应控制与故障容错作者张益鹏学位授予单位南京邮电大学引用本文格式张益鹏四旋翼无人机自适应控制与故障容错学位论文硕士知识飞行原理坐标定义系统模型自适应理论本章小结第三章四旋翼无人机控制算法设计无人机系统控制结构基于自适应控制算法控制律设计稳定性分析实验结果与分析基于四元数参数化自适应控制算法控制律设计稳定性分析实验结果与分析本章小结第四章执行器加性故障容错控制算法设计执行器故障分类基于自适应容错控制算法容错控制律设计稳定性分析实验结果与分析本章小结第五章执行器乘性故障容错控制算法设计乘性故障单故障容错控制算法容错控制律设计稳定性分析实验结果与分析多故障容错控制算法容错控制律设计稳定性分析万方数据实验结果与分析本章小结第六章总结与展望全文总结未来展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写论文致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文专用术语注释表专用术语注释表符号说明符号名称单位体坐标系位置地坐标系位置滚转角俯仰角偏单位代码密级硕士学位论文论文题目四旋翼无人机自适应控制与故障容错张益鹏曹科才控制理论与控制工程四旋翼无人机自主控制工学硕士二零四年五月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构