四旋翼无人飞行器是一种垂直升降无人飞行器,它能够实现精准悬停,室内飞行和低速巡航等任务,已经被广泛应用于民用和军用领域。由于四旋翼无人飞行器是一个典型的欠驱动控制系统,具有多变量,强耦合,非线性的特点,这使得控制器设计非常具有挑战性,如何设计高性能的飞行控制器一直以来都是控制领域的热点问题。有限时间控制技术是一种新的非线性控制方法,具有快速收敛和抗扰动性能强的特点,可以有效改善闭环系统的控制性能。本文首先综述四旋翼无人飞行器的研究现状和有限时间控制理论。然后,介绍四旋翼无人飞行器的基本结构和飞行原理,并建立一种基于四元数描述的四旋翼无人飞行器系统模型。基于该模型,分别研究单个四旋翼的跟踪控制问题和多个四旋翼的编队控制问题。不同于大多数现有的研究成果,即只能保证闭环系统的渐近稳定性,本文所提出控制器均可实现有限时间稳定,即系统状态可以在有限时间内收敛到平衡点,明显提高系统收敛速度。具体来说,针对单个四旋翼的跟踪控制,基于齐次性理论,提出一种有限时间位置跟踪控制律,基于加幂积分技术,提出一种有限时间姿态跟踪控制律,使得四旋翼无人飞行器的位置和姿态都可以在有限时间内跟踪上期望值。针对多个四旋翼的编队控制,基于有限时间一致性理论,提出一种分布式有限时间编队控制策略,使得所有四旋翼无人飞行器都可以在有限时间内形成编队队形并沿着期望轨迹飞行。与此同时,本文基于Lyapunov理论,严格证明闭环系统的有限时间稳定性,并通过Matlab仿真验证理论的有效性。最后,本文设计并搭建一种基于球关节的四旋翼无人飞行器姿态控制实验平台,对有限时间姿态控制算法进行实验验证。实验结果表明,与PID控制相比较,有限时间姿态控制算法不仅可以提高闭环系统收敛速度,还可以减小稳态误差。