本文的章节安排如下：

第一章：引言，简单介绍四旋翼无人飞行器系统辨识以及搭建控制器进行仿真的国内外发展现状。

第二章：简介四旋翼的飞行原理、硬件平台、飞行试验中数据采集的注意事项和数据处理。

第三章：介绍了CIFER平台，以及利用CIFER平台进行系统辨识的过程。

第四章：利用辨识得到的模型，基于PID、LQR、H∞控制,通过在Matlab中编写程序或在Simulink中搭建模型进行仿真，并验证控制器的有效性。

2  四旋翼飞行器设计

2。1  飞行原理

四旋翼无人飞行器有两对螺旋桨，对称分布在X型结构的机体对角线上，四个螺旋桨的构造和半径均相同，且处于同一高度平面。如下图所示，相邻螺旋桨转动方向相反，而位置相对的一对螺旋桨转向一致，这样设计可以抵消旋转时产生的扭力矩。四旋翼无人飞行器有独特的对称性和多旋翼性，调节四个螺旋桨的转速可以实现不同的飞行模式。其飞行原理是靠调节四个独立的电机驱动对应的螺旋桨，产生转速差，利用空气动力学原理，改变升力的大小，控制飞行器的多种姿态。控制四旋翼无人飞行器即当它平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

1）升降运动

如图2。1所示，相邻的螺旋桨转动方向相反，相对的螺旋桨转动方向相同，同时增减四个电机的转速，可实现垂直升降。当重力等于升力的合力时，飞行器为悬停状态[12]；当重力小于升力的合力时，飞行器实现垂直上升运动；当重力大于升力的合力时，飞行器做垂直下降运动。文献综述

图2。1  垂直升降运动

2）滚转运动

如图2。2所示，减小/增大电机1、4的转速，同时，增大/减小电机2、3的转速，产生转速差，可使机体以Xb轴为轴旋转，从而做滚转运动。但由于扭矩的存在，还会影响飞行器的左右移动。

图2。2  滚转运动

3）俯仰运动

如图2。3所示，以Xb轴正方向作为机头方向，即飞行器向前运动的方向。事实上，俯仰运动就是机体绕Yb轴进行转动。同时增大电机1、 2的转速，减小电机3、4的转速，转速差导致出现了升力差，产生力矩，使机体绕Yb轴转动，实现仰运动；增大电机3、 4的转速，减小电机1、 2的转速，实现俯运动。仰运动与俯运动的组合，从而实现了俯仰运动。

图2。3  俯仰运动

4）偏航运动

偏航运动实质上就是机体绕Zb轴转动。四个螺旋桨的转速差导致扭矩不平衡，使机体以Zb为轴转动，实现偏航运动。如图2。4所示，增大电机1、3的转速，减小电机2、4的转速，产生扭矩差。机体以Zb为轴，顺着电机2和电机4的转动方向即顺时针转动。反之，增大电机2、4的转速，减小电机1、3的转速，机体会逆时针转动。来-自+优^尔*论L文W网www.chuibin.com 加QQ75201.8766

图2。4  偏航运动

实现不同飞行姿态时，四个螺旋桨的具体控制如表2。1所示：

表2。1  螺旋桨转速与姿态的关系

螺旋桨1 螺旋桨2 螺旋桨3 螺旋桨4

俯仰 + + - -

滚转 + - - +

偏航 +