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验证的较少。其次，对于四旋翼无人飞行器这种多变量、强耦合的非线性复杂系统，多数文
献对四旋翼无人飞行器非线性数学模型进行了简单的线性化处理，比如认为系统欧拉角对时
间的导数等于对应的角速度，事实上，这是飞行器工作在平衡点附近时的一种工程近似，所
以要达到高精确度的控制性能这种简单的线性化数学模型显然不能满足控制器设计的要求，
需要引入更为精确的数学模型。因此对四旋翼无人飞行器数学模型和控制方法的研究还需要
进一步深入，同时需要加快将理论与实际的紧密联系，将先进的控制算法应用到四旋翼无人
飞行器具体工程实际中来。
1.3 本文结构安排
本文主要建立四旋翼无人机的奇异摄动模型，分别对内环和外环设计子控制器，然后对
所设计的控制器进行仿真实验和实际实验，验证控制器的控制效果。
第一章为绪论，主要介绍无人机相关背景和研究现状，以及本文要研究和解决的问题。
第二章为数学模型，主要建立四旋翼无人飞行器的非线性数学模型，然后将其分解成快
慢两个子系统。
第三章为控制器的设计，主要针对第二章所分离的快慢两个子系统分别设计控制器，引
入非线性动态逆的思想，内环快子系统设计 LQR控制器，外环慢子系统设计PID控制器。
第四章为仿真实验，利用 Matlab 的 Simulink 搭建仿真模型，进行飞行器的轨迹跟踪仿
真实验，验证控制器的控制效果。
第五章为实际飞行实验，利用实验室具体的四旋翼飞行器，编写控制代码，进行实际飞
行，将所设计的控制器应用于实际。 2 数学模型
2.1 四旋翼飞行器简介
四旋翼飞行器简化结构图如图 2.1所示，其中=1,2,3,4)分别表示电机旋转产生
的升力和反扭矩。电机 1 和电机 3 顺时针旋转，电机 2 和电机 4 逆时针旋转，相互抵消反扭
矩用于消除机身的自旋。
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