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随着农业航空技术的快速发展,农业生产对植保无人机作业质量的要求越来越高,仿地定高飞行控制技术是提升植保无人机作业质量的关键。植保无人机的作业对象种类繁多,不同作物冠层形态存在较大差异。不同类型的测高传感器用于不同作业环境和作业对象的表现各异,多传感器信息融合可以弥补各自的缺陷。本文在系统分析国内外现有仿地定高飞行控制技术的基础上,结合植保无人机作业的特点,对植保无人机仿地定高飞行控制技术进行了分析,并进行了田间试验验证,形成了一套多传感器组合测距方法及仿地定高飞行控制方案。该方案适应性广、可靠性高且成本较低,为植保无人机的多模态作业方式提供了科学指导,对推动农业航空技术在我国发展起着重要作用。本研究的主要研究内容和取得的成果如下:（1）无人机动力系统模型的构建与仿真分析基于四旋翼无人机试验平台,利用北航可靠飞行控制研究组网站和测量设备,获取了无人机的性能参数。根据四旋翼无人机理想状态的刚体运动构建了无人机平动和转动的动力系统模型,并建立了飞行器的坐标系转换关系。根据四旋翼无人机硬件参数和动力系统模型,设计了基于自抗扰控制（ADRC）算法的仿地定高飞行控制系统。ADRC算法移植至Matlab仿真中,验证了PID算法和ADRC算法在四旋翼无人机姿态控制、高度控制和仿地定高飞行控制上的优劣性。Matlab仿真结果表明:（a）阶跃响应能力:ADRC算法提高了无人机姿态和高度的响应速度,比PID算法提升50%以上;（b）抗干扰能力:ADRC算法能够检测外界干扰,无人机在干扰下能够1s内恢复姿态稳定;（c）算法参数适应能力:PID算法在扰动下需要频繁调参,而ADRC算法在一定干扰范围内不需调参也能正常工作,稳定性提升很多,具有较好的适应能力。ADRC算法在仿地定高飞行控制中的良好特性,为后续田间试验提供了理论支撑。（2）四旋翼无人机仿地定高飞行试验的测距传感器优选四旋翼无人机仿地定高飞行试验的测距传感器选型及测距方法设计是仿地定高飞行控制系统设计的关键。本研究选取了三种测距传感器分别是NRA24毫米波雷达传感器、TF02激光雷达传感器和US100超声波传感器。本研究通过传感器的产品数据手册分析传感器的测距原理和串口协议,准确地获取了传感器的距离信息。在测距传感器优选试验中,采用了测距误差的标准差、最大测距绝对误差、测距的均方根误差和田间适应能力四个指标评价测距传感器的优劣。试验结果表明:（a）测距误差的标准差:NRA24毫米波雷达＜US100超声波传感器＜TF02激光雷达;（b）最大测距绝对误差:TF02激光雷达＜US100超声波传感器＜NRA24毫米波雷达;（c）测距的均方根误差:TF02激光雷达＜US100超声波传感器＜NRA24毫米波雷达;（d）田间适应能力:TF02激光雷达＜US100超声波传感器＜NRA24毫米波雷达。试验指标表明了NRA24毫米波雷达测距误差的标准差最小且能够适应田间作业,有利于无人机田间仿地定高飞行时平稳调整高度。综合分析确定了NRA24毫米波雷达传感器作为田间试验的测距传感器。针对超低空着陆和低空垂直起飞时NRA24毫米波雷达测距盲区（0～0.7m）的问题,选择US100超声波传感器作为辅助定高传感器。（3）仿地定高飞行特性田间验证试验选择了多旋翼植保无人机和自主研究设计的四旋翼无人机在水稻和玉米田进行仿地定高飞行特性试验,以检验和评判本研究仿地定高飞行控制系统的合理性和控制效果。田间试验选用高精度RTK模块进行数据采集,以保证试验数据的准确性和可靠性。对RTK模块采集的三维航迹进行数据处理,分析仿地定高飞行高度变化曲线、跟随高度的误差、跟随高度误差的标准差和均方根,评判无人机的仿地定高飞行能力。试验结果表明,无人机在杂交水稻田的跟随高度的误差平均值分别为0.31m（机型Ⅳ）、0.78m（机型Ⅱ）、0.30m（机型Ⅲ）;高度误差的标准差分别为:0.13m（机型Ⅳ）、0.16m（机型Ⅱ）和0.23m（机型Ⅲ）;高度误差的均方根分别为0.34m（机型Ⅳ）、0.80m（机型Ⅱ）和0.33m（机型Ⅲ）。无人机在玉米田的跟随高度的误差平均值分别为0.29m（机型Ⅳ）、0.34m（机型Ⅰ）、0.28m（机型Ⅲ）;高度误差的标准差分别为0.43m（机型Ⅳ）、0.50m（机型Ⅰ）和0.46m（机型Ⅲ）;高度误差的均方根分别为0.52m（机型Ⅳ）、0.60m（机型Ⅰ）和0.54m（机型Ⅲ）。两次田间试验结果中,采用层次分析法GP（Global Priorities）值综合评价,分析了无人机系统的跟随高度误差、跟随高度误差的均方根及标准差、响应时间、测距传感器的价格和控制系统的简易性等六种评价指标,试验得分结果分别为:（1）水稻田间仿地定高飞行试验:0.46（机型Ⅳ）、0.226（机型Ⅱ）、0.274（机型Ⅲ）;（2）玉米田间仿地定高飞行试验:0.454（机型Ⅳ）、0.302（机型Ⅰ）、0.262（机型Ⅲ）;（3）两种田间试验分析:自主研究设计机型Ⅳ在综合得分方面具备一定的优势,达到了田间仿地定高飞行作业的要求。仿地定高飞行特性田间验证试验结果表明:本研究设计的无人机仿地定高飞行控制系统对农田地形测距和地形跟随具有较高的控制精度,试验结果验证了仿地定高飞行控制系统的工作性能及田间应用的可行性。