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四旋翼无人机以其简单的结构与低廉的制造成本,并且可以应用到各种复杂的环境中完成复杂的任务,在军事领域和民用领域均具有广泛的应用,如地面战场的侦察监视,环境监测,地质勘探等。所以,当前对于四旋翼无人机的研究越来越多。在设计控制系统的过程中,必须要考虑到系统的容错能力,这可以保证系统在运行过程中的稳定性。本文的主要目的是设计被动容错控制系统,使得四旋翼无人机系统在执行器发生部分故障损失时,也能够保证系统的稳定性。主要研究内容与工作可概括如下：(1)四旋翼无人机的飞行原理的描述,从整体上对系统进行分析,利用牛顿运动定律和欧拉动力学方程推导出了四旋翼无人机的数学模型,得到了空间位置方程和三个姿态角的方程。(2)对带有系统不确定性的系统进行研究。首先,将推导出来的数学模型进行简化,得到线性化的模型。其次,根据Lyapunov的方法设计出了高度控制律和三个欧拉角度的控制律,并且在Simulink环境下构建出了高度控制器模型与三个欧拉角度控制器模型。最后,对控制器的增益进行调节,分别对正常系统和不确定性系统进行仿真实验。根据得到的实验数据以及数据分析结果得到一组控制效果最好的控制器增益,使得不确定性系统也能够保证系统的稳定性。(3)设计了基于Lyapunov稳定性的四旋翼无人机的被动容错控制系统,并且构建出了基于Simulink的被动容错控制系统的模型。通过选取矩阵PAPA-1相乘的这种形式,用来表示执行器发生各种故障的情况。然后设计了故障处理环节对故障进行处理,使得系统能够稳定的运行。最后,通过对设计的被动容错控制系统进行仿真实验,对它的稳定性进行验证,实验结果表明了该控制系统的可行性并且能够保证系统的稳定性。(4)半实物仿真实验,将设计的基于Lyapunov的高度控制器进行半实物仿真实验,仿真平台是加拿大Quanser公司研制的Qball-X4实验平台。对实验结果和实验数据进行分析,验证了基于Lyapunov的高度控制方法能够使得Qball-X4控制系统具有一定的容错控制能力,并且能够保证一定的系统稳定性。