受火星复杂地势影响,火星漫游车在短距离勘探工作中视野范围有限,而火星飞行器可以利用空中优势获取更丰富的火星情报,所以众多科学工作者认为火星飞行器是火星勘探任务的重要载具。火星表面存在的稀薄大气为旋翼飞行提供了极大的可能性。共轴双旋翼式火星飞行器具有结构紧凑、升阻效率高等优点,其转向机构是实现火星飞行器稳定悬停与前飞运动的关键部分。所以,共轴双旋翼式火星飞行器转向系统的机械结构设计、电气设计与运动学特性、操纵特性具有研究价值。通过分析、建模及校核,完成了转向系统的机械结构设计。根据直升机操纵原理,明确了共轴双旋翼式火星飞行器转向机构的性能指标,提出了转向机构的机构构型。通过结构设计,确定连杆、斜盘主体与桨夹的基本尺寸;利用静力学分析,研究了转向机构的杆件受力与输入扭矩;通过图解法研究转向机构的运动范围,完成了杆件参数的优选。针对转向机构的运动学特性,开展了理论求解、仿真分析与实验验证三方面研究。建立了斜盘下环运动链方程、上环运动链方程与上下环姿态变换方程,通过数值计算与回归拟合,识别了运动学方程的系数,建立了转向机构的运动学模型。基于转向机构多体运动学仿真模型,运用控制变量法研究总距角、纵向周期变距角、横向周期变距角与致动器转角输入量之间的关系。通过拟合实验数据得到转向机构运动学实验方程,经过系数比较,证明了运动学模型的正确性。驱动与控制单元设计可分为电气系统硬件开发与软件编写。分别设计了供电电路、六轴惯性测量模块、三轴倾角计模块、激光高度计模块,根据飞行器整体结构确定了电路板安装位置及安装尺寸,设计了印制电路板,最终完成了电气系统硬件设计。基于建立的转向机构多体动力学仿真模型,识别了电机输出端的转速、转角与转矩,实现了转向机构的软件仿真。编写了转向电机的驱动仿真程序,实现了转向电机的双闭环控制,提出了电机闭环控制与俯仰-横滚闭环控制相结合的悬停姿态控制算法。为开展共轴双旋翼式火星飞行器转向特性试验研究,设计了使飞行器具有俯仰、横滚、偏航及垂直起升运动的试验装置,采用真空罐与悬挂绳模拟了火星气压与重力环境。针对影响悬停姿态控制试验的因素,研究其与飞行器侧倾方位角与侧倾角度的关系,验证了悬停姿态控制算法的合理性。