四旋翼垂直起降无人机（UAV）的建模与姿态稳定控制问题

资 源 简 介

四旋翼垂直起降无人机（UAV）的建模与姿态稳定控制问题

详 情 说 明

四旋翼无人机因其垂直起降能力和灵活机动性成为研究热点，其姿态稳定控制是自主飞行的核心问题之一。传统欧拉角表示法存在万向节锁问题，而采用单位四元数描述姿态可彻底避开奇异性，为控制系统提供更完备的数学基础。

在建模过程中，需重点考虑电机动态特性对系统响应的影响，例如转子惯性和响应延迟，而气动效应在低速飞行时可暂时忽略以简化模型。基于backstepping的控制设计方法通过分步构建虚拟控制量，逐步稳定各子系统，最终实现全局姿态稳定。其中关键创新点在于引入科里奥利力矩和陀螺仪力矩的实时补偿机制，有效抵消了高速旋转机体产生的耦合效应。

通过构造合适的Lyapunov函数，理论证明了闭环系统不仅具有渐近稳定性，还能在持续外界干扰（如阵风）下保持状态的一致最终有界性。仿真验证环节通常包括阶跃响应测试和抗干扰测试，结果应显示横滚角、俯仰角和偏航角均能快速收敛到期望值，且超调量控制在5%以内。这种非线性控制方法相比传统PID控制更能适应大角度机动场景，为后续轨迹跟踪控制奠定了理论基础。