四旋翼植保无人机作为一种新型数字化农业机械,具有操控性强、植保效率高等优点,通过挂载各种专业设备,可完成大规模植保任务,近年来得到了深入研究和广泛应用。但植保无人机作业中存在负载变化导致飞行稳定性差等问题,迫切需要优化飞行控制系统,本文基于四旋翼植保无人机对嵌入式飞控系统进行了研究和设计。本文通过对植保无人机的组成和控制原理的研究,基于牛顿-欧拉公式建立了四旋翼植保无人机的动力学和运动学非线性数学模型;通过对飞行控制系统的研究,本文建立了四旋翼植保无人机飞控系统和线性化模型,对姿态环串级模糊PID控制器、速度环微分先行PID控制器进行了优化设计,并用Matlab/Simulink分别搭建了常规串级PID控制器模型和本文优化的控制器,并对线性化模型进行了建模与仿真,验证了飞控改进算法的可行性和鲁棒性。设计了由主控制器、传感器、存储器、电源等模块组成的无人机嵌入式飞控硬件系统,并设计了系统硬件驱动控制程序、姿态控制程序以及优化的PID控制器程序,研制出了四旋翼植保无人机飞行控制系统样机,并基于该样机对姿态控制和飞行稳定性进行了实际测试。为了解决姿态控制系统动态性能不理想、抗干扰能力弱的问题,本文采用了模糊控制技术,在常规PID控制结构中增加一个模糊控制器,实时补偿固定不变的PID参数,提高控制器的动态性能和抑制干扰能力;为了解决负载变化导致高度环振荡稳定性差的问题,对PID控制器中的微分结构进行了改进,把输入信号的微分改为直接对输出信号进行微分,构成一种微分先行PID算法;为了解决飞控系统实时性和可移植性问题,飞控系统软件采用FreeRTOS实时操作系统,保证实时性的前提下,实现了软件模块化封装。为了验证本文设计的植保无人机样机的功能和性能,分别对嵌入式飞控系统、姿态控制和高度环稳定进行了模拟测试,测试结果表明:在变负载飞行的情况下,改进的姿态环串级模糊PID控制器超调量约0.28°,在悬停时的角度最大波动误差为0.91°,较常规PID控制器超调量减少了约37.7%,响应速度加快了约30ms,角度误差波动减少了 41.3%;高度环微分先行PID控制器高度波动最大仅为4cm,较常规PID控制器减少了 55.5%。实际测试结果证明,本文改进的姿态环串级模糊PID控制器具有很好的控制能力和动态调节能力,平均超调量更小、响应速度更快,悬停姿态角波动更小,稳定性和抗干扰能力更强;改进的高度微分先行PID控制器在悬停时高度稳定保持效果好,有效的抑制了因负载变化造成的高度、速度波动干扰,抗干扰能力更好。软件仿真和模拟测试均证明本文设计的飞控系统能够满足四旋翼植保无人机在负载变化情况下的稳定性和鲁棒性,动态性能效果好,抑制干扰能力强。