题目：四旋翼无人直升机的动力学建模与姿态控制

    四旋翼无人直升机属于微小型无人直升机的一种，以其新颖的结构布局、独特的飞行方式和较好的综合性能，在军事和民用领域均具有广阔的运用前景。四旋翼无人直升机是一个多变量、高度非线性、强耦合、时变的高阶系统，是一个复杂的被控对象，对其进行飞行控制，涉及到飞行动力学、空气动力学、自动控制、人工智能与智能控制和实时系统编程等学科，能够对许多相关技术领域的发展起到积极的推动作用。近年来，随着交通拥堵现象的加剧以及人类出行范围的扩大，传统汽车过于受制于道路及地形的问题得以凸现，基于多旋翼直升机技术的陆空两栖汽车的研究为这些问题的解决提供了一个良好的思路。所以，对以四旋翼为主体的多旋翼无人直升机的研究是当前国内外的一个研究热点。本文针对四旋翼无人直升机的动力学建模、姿态控制以及电机驱动控制系统展开了研究。

    首先，针对在实际飞行中四旋翼无人直升机经常会受到外界风场扰动的问题，创新性的提出了带有风场扰动项的四旋翼无人直升机动力学模型，以使模型更加真实地反映四旋翼无人直升机的动力学性能。为了使四旋翼无人直升机在风场扰动中的控制稳定性研究具有实际意义，建立了紊流风场的Dryden模型，以准确的模拟大气扰动中的紊流现象，使飞行仿真中的风场模拟更加真实。

    其次，PID神经元网络(PIDNN)控制具有控制性能优良、结构简单、收敛迅速、稳定性好以及适用于非线性系统等特点，但目前尚无公开的文献将其应用在四旋翼无人直升机的控制研究之中。本文创新性的将PIDNN控制理论引入四旋翼无人直升机控制器的设计之中，以解决四旋翼无人直升机这种高度非线性、强耦合、模型不确定性高和外界扰动大的系统的控制问题。

    再次，针对四旋翼无人直升机的驱动系统——无刷直流电机控制系统的控制问题，本文为其建立了数学模型，设计了双闭环PID转速控制器，基于MATLAB/Simulink环境建立了无刷直流电机控制系统仿真模型，并且进行了数值仿真实验。数值仿真实验结果表明：所建立的无刷直流电机控制系统具有响应快，精度高及抗扰动性强等特点，能够实现电机转速的精确输出，即能够满足四旋翼无人直升机飞行控制系统对驱动系统的要求。

    最后，基于MATLAB/Simulink环境建立了四旋翼无人直升机系统的数值仿真模型，搭建了四旋翼无人直升机的硬件系统，对四旋翼无人直升机的定点悬停飞行和路径跟踪飞行进行了一系列的数值仿真和实验测试。数值仿真结果和实验测试结果表明：所建立的动力学模型能够准确的反映四旋翼无人直升机的动力学性能，所设计的控制器具有良好的控制稳定性、机动性和鲁棒性；无刷直流电机控制系统与四旋翼无人直升机主系统结合良好，并且能够对电机的输出转速进行精确的控制。