● 摘要
四旋翼无人直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降无人机，具有重要的军事和民用价值。对于精确控制四旋翼无人直升机的姿态一直是研究的热点，本文利用Simulink仿真软件对所设计的控制器在风场下的姿态控制性能进行了仿真。详细论述了四旋翼无人直升机结构特点和飞行原理，根据动量理论及叶素理论，对四旋翼进行了详细的空气动力和力矩的分析，推导出四旋翼无人直升机非线性数学模型；详细论述了风场的特性及对四旋翼无人直升机飞行的影响，对风场的工程化模型进行了数值仿真；在风场环境下，对已建立的四旋翼无人直升机进行修正并针对四旋翼无人直升机的欠驱动特性及非线性，设计了基于回推控制算法的积分回推姿态控制器，在此基础上，对控制器在风场中的姿态控制效果进行模拟研究。仿真结果表明，在无风条件下，即使四旋翼无人直升机的工作环境恶劣，控制器仍能控制姿态角快速并精确的稳定在预期值附近，验证了控制器具有跟踪误差小、调节时间短并具有一定的鲁棒性的优点；在有风条件下，四旋翼无人直升机抗平均水平顺风能力强于平均水平逆风能力，抗平均垂直逆风能力强于垂直顺风能力，能抵抗离散突风的影响，由此表明系统具备一定的抗风能力，所设计的控制器是合格的。