近年来,旋翼无人机技术得到迅速发展,已经广泛用各行业,但其应用大多是需要与外界避免接触且无交互的领域,并没有完全发挥出无人机的功能。旋翼飞行机械臂系统指在飞行平台腹部加载具有操作性的串联或并联机械臂系统,赋予系统与外界交互的能力,使其能实现空中作业。本文针对具有空中自主操作能力的旋翼飞行机械臂系统进行研究,主要工作是对旋翼飞行机械臂系统设计合适的控制器,采用改进的图像视觉伺服控制方法与多层任务优先级控制方式实现旋翼飞行机械臂末端自主定位到抓取目标上方,具体工作包括:(1)旋翼飞行机械臂系统的联合建模。本文首先引入旋翼飞行器的动力学模型,合理设计机械臂结构,对机械臂系统进行运动学建模。然后针对机械臂规划运动时造成的系统重心时变,引入重心偏移量,最后基于牛顿-欧拉方程对旋翼飞行机械臂系统进行联合建模,以便进一步实现系统的稳定控制。(2)改进的透视投影图像矩特征。本文首先详细地介绍了传统图像视觉伺服中涉及到的透视投影与球面投影图像特征。为解决传统方法在旋翼飞行机械臂系统运动时图像空间与笛卡尔空间存在的非线性及耦合问题,本文提出一种改进的透视投影图像特征,即虚拟图像特征,并结合图像矩推导出特征的动力学关系。(3)基于虚拟图像的全动力学自适应视觉伺服控制器。本文采用反步法分别设计基于球面投影的图像视觉伺服控制器和基于虚拟图像的视觉伺服控制器。在基于虚拟图像视觉伺服控制器的设计过程中引入自适应参数调整机制,针对图像信息的不确定性和系统动力学模型的不确定性能够自适应调整,提高系统的准确性和鲁棒性。(4)多层任务优先级控制器。最后实现旋翼飞行器和机械臂系统的协调控制,针对机械臂控制器的设计,本文提出基于位置、方向和重心控制等任务以优先级控制方式实现,保证末端定位到期望位置的同时确保系统的稳定性和安全性。为验证本文所提出的控制方法,搭建了旋翼飞行机械臂系统和控制器的仿真模型,结果表明本文所提视觉伺服控制策略具有良好表现,与机械臂协调控制能够自主定位到抓取目标上方。同时仿真结果显示,本文提出的基于虚拟图像特征的视觉伺服控制方法较基于球面投影的视觉伺服控制方法在空间和图像平面都具有更好的表现,在收敛时间上也有所改善。最后本文利用自主设计的旋翼飞行机械臂系统进行了室外简单环境下的空中抓取实验。