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近年来，四旋翼无人机行业蓬勃兴起，在各行各业发挥着不可替代的作用。四旋翼无人机具有体积小、易操作、物理结构简单等特点，被广泛用于森林防火、电力巡线、农林植保、快递投送、航拍摄影、三维建模、遥感监测等方面。四旋翼无人机的执行任务越发多样化，四旋翼处于不同的执行环境下，受风向、地磁及无人机本身执行机构等因素的影响较大，增加了故障发生的可能性。因此，如何在四旋翼执行器出现故障时，保证飞行姿态稳定是当今无人机姿态研究的一个重要方向。
为了提高四旋翼在飞行过程中的姿态稳定性，增强四旋翼的容错控制能力，本文根据反步法控制的故障重构能力，以及滑模法控制的反馈线性化方法，基于反步法和滑模法设计了姿态容错控制器，构造了反步滑模观测器实时观测无人机故障状况，并对所提出的反步滑模算法进行了仿真验证与物理实验。研究具体内容如下:
(1)首先，根据牛顿-欧拉方程为四旋翼无人机建立了动态模型。由于四旋翼具有非线性、强耦合的特点，因此四旋翼无人机在飞行过程中的姿态控制是保证平稳飞行的先决条件。无人机在飞行过程中会遇到周围气体环境的干扰，或者由于电机、螺旋桨等执行机构失效导致的飞行器故障，将这种故障的损失表达为各个通道的输入量，间接表示为俯仰、滚转、偏航通道的输入损失，在动态模型方程的基础上加入故障干扰，建立了四旋翼无人机故障模型。
(2)其次，对线性二次型调节器法(Linear Quadratic Regulator，LQR)控制、积分反步法控制(Integrator Backstepping Controller，IBC)、滑模法控制(Sliding Mode Control，SMC)的姿态控制稳定性进行对比。对系统故障模型进行简化处理，得出带有加性故障的执行器状态方程，建立了一个状态观测器实时观测四旋翼无人机的输出。分别建立线性二次型调节控制器、反步法控制器、滑模控制器，在Matlab/Simulink环境下分别对无故障干扰和有加性故障干扰的条件下进行了仿真对比实验，得出了在无故障干扰时，三种控制算法均能在较短时间内快速达到稳定状态，当有加性故障干扰时，LQR算法不能收敛，SMC算法在初始时刻有较小抖动，IBC算法的电机姿态控制具有抖动的现象。根据上述三种算法的仿真实验，结合滑模算法的滑动“模态”特点与反步法的递归方式，可以得出反步滑模控制(Backstepping Sliding Mode，BSM)对四旋翼无人机有较强的容错控制性。
(3)本文基于反步法和滑模法设计了一种姿态容错控制器。通过构造中间虚拟控制量，完成整个系统输入输出控制律的设计，并设计反步滑模姿态容错控制器，全局优化系统参数，自适应调整加权矩阵，验证了该方法具有较佳的鲁棒性、轨迹跟踪能力及容错控制性。
本文通过设计反步滑模控制器，进行仿真对比试验，最后将程序写入Pixhawk飞行器，现场试飞验证。由飞行控制器机载MPU6050模块获得数据，验证了BSM算法具有良好的轨迹跟踪性以及鲁棒性。
为了提高四旋翼在飞行过程中的姿态稳定性，增强四旋翼的容错控制能力，本文根据反步法控制的故障重构能力，以及滑模法控制的反馈线性化方法，基于反步法和滑模法设计了姿态容错控制器，构造了反步滑模观测器实时观测无人机故障状况，并对所提出的反步滑模算法进行了仿真验证与物理实验。研究具体内容如下:
(1)首先，根据牛顿-欧拉方程为四旋翼无人机建立了动态模型。由于四旋翼具有非线性、强耦合的特点，因此四旋翼无人机在飞行过程中的姿态控制是保证平稳飞行的先决条件。无人机在飞行过程中会遇到周围气体环境的干扰，或者由于电机、螺旋桨等执行机构失效导致的飞行器故障，将这种故障的损失表达为各个通道的输入量，间接表示为俯仰、滚转、偏航通道的输入损失，在动态模型方程的基础上加入故障干扰，建立了四旋翼无人机故障模型。
(2)其次，对线性二次型调节器法(Linear Quadratic Regulator，LQR)控制、积分反步法控制(Integrator Backstepping Controller，IBC)、滑模法控制(Sliding Mode Control，SMC)的姿态控制稳定性进行对比。对系统故障模型进行简化处理，得出带有加性故障的执行器状态方程，建立了一个状态观测器实时观测四旋翼无人机的输出。分别建立线性二次型调节控制器、反步法控制器、滑模控制器，在Matlab/Simulink环境下分别对无故障干扰和有加性故障干扰的条件下进行了仿真对比实验，得出了在无故障干扰时，三种控制算法均能在较短时间内快速达到稳定状态，当有加性故障干扰时，LQR算法不能收敛，SMC算法在初始时刻有较小抖动，IBC算法的电机姿态控制具有抖动的现象。根据上述三种算法的仿真实验，结合滑模算法的滑动“模态”特点与反步法的递归方式，可以得出反步滑模控制(Backstepping Sliding Mode，BSM)对四旋翼无人机有较强的容错控制性。
(3)本文基于反步法和滑模法设计了一种姿态容错控制器。通过构造中间虚拟控制量，完成整个系统输入输出控制律的设计，并设计反步滑模姿态容错控制器，全局优化系统参数，自适应调整加权矩阵，验证了该方法具有较佳的鲁棒性、轨迹跟踪能力及容错控制性。
本文通过设计反步滑模控制器，进行仿真对比试验，最后将程序写入Pixhawk飞行器，现场试飞验证。由飞行控制器机载MPU6050模块获得数据，验证了BSM算法具有良好的轨迹跟踪性以及鲁棒性。