题目：四旋翼自主机动飞行控制设计

四旋翼飞行器是一种结构简单紧凑、悬停效率高、机动性强和可垂直起降的飞行器，其优异机动飞行性能和灵活控制能力，在未来反恐侦察、城市救援应用中具有广阔前景。结合国家863计划重点项目“极地科学考察的冰雪面移动和低空飞行机器人关键技术与系统研究”，对四旋翼动力学模型和非线性控制方法进行深入研究和分析，设计完成自主飞行控制系统软硬件开发，并通过飞行试验验证控制律设计的有效性。主要研究内容和成果如下：(1) 对四旋翼气动特性进行分析和推导计算，结合动量理论和叶素理论计算旋翼气动力和力矩，通过实验测量旋翼升力系数及反扭力矩系数，建立了较精确的四旋翼动力学模型；(2) 针对四旋翼结构及飞行特点，设计研发自主飞行控制系统。选取精确姿态位置测量模块，设计基于ARM+AVR嵌入式控制架构的飞行控制模块，完成飞行控制系统软硬件研发，搭建了各通道独立解耦调试的飞行参数调试平台；(3) 根据四旋翼欠驱动非线性系统特性，进行PID控制律和非线性反步控制律的姿态回路、位置回路控制设计，并利用Lyapunov方法证明其稳定性。通过MATLAB/SIMULINK进行仿真和对比，验证非线性反步控制律具有更好控制效果；(4) 集成了四旋翼自主飞行控制系统，对飞行过程中姿态测量模块反馈测量值受电机振动影响进行分析。通过姿态稳定控制、高度控制及轨迹跟踪控制飞行试验验证了控制律设计的有效性。