碟形飞行器是一种以内置旋翼为主要动力部件具有碟形外形的飞行器，其能够像直升机一样实现垂直起降和悬停与直升机相比，碟形飞行器因其特殊的内置旋翼结构，在气动效率安全性等方面具有独特优势对碟形飞行器的研究目前仍处在发展阶段，其结构设计气动优化和飞行控制等方面均存在较多的问题，飞行性能尚无法满足实际应用的要求，碟形飞行器的构型飞行控制算法等方面仍需进一步的研究和改进本文设计了具有磁悬浮双旋翼系统和下摆锤结构的新型双旋翼碟形飞行器，建立了飞行器的动力学和运动学模型，并在系统特性分析的基础上，进行了无约束飞行控制以及有约束优化控制的相关研究，取得了以下主要研究成果：1一种磁悬浮双旋翼碟形飞行器系统本文设计了一种磁悬浮双旋翼碟形飞行器系统，其主要的结构特征包括：旋翼末端安装有磁悬浮组件，构成磁悬浮旋翼，能够实现旋翼桨叶末端的轴向定位；上下置式的两个磁悬浮旋翼安置在涵道中，构成涵道式双旋翼系统，提供飞行升力和偏航扭矩；碟舱经两个相互垂直的正交关节与双旋翼系统连接，其作用类似摆锤，飞行器的俯仰角滚转角姿态通过关节扭矩进行调节所设计双旋翼碟形飞行器的电气系统为分层递阶结构：组织级以嵌入式工控机为核心，辅以各种人机接口，负责监测获取信息，决策和下达运动控制指令；协调级以DSP为核心，辅以状态感知传感器，主要负责基础的飞行控制；执行级为电机伺服系统，负责控制双旋翼及正交关节的驱动电机以完成指定运动所设计双旋翼碟形飞行器的总体参数包括物理系统参数和气动性能参数，通过对飞行器气动特性的分析，并基于选取的物理系统参数，计算了飞行器的最大负载飞行功率最大爬升速度等飞行性能参数2双旋翼碟形飞行器的建模与动力学分析本文借鉴双旋翼直升机以及涵道风扇飞行器飞行动力学的建模特点，基于直升机桨叶空气动力学原理建立了涵道式双旋翼系统的气动力模型进一步，基于凯恩方程建立了双旋翼碟形飞行器的动力学模型，对飞行器的动力学模型进行了实验验证，实验结果符合物理事实，验证了所建模型的正确性，验证实验也反映了双旋翼碟形飞行器的操稳特性：在零输入时水平姿态具有自稳定性；在零初态时控制响应快速平稳；横向和纵向的动力学特性具有对称性最后对系统的动力学模型进行了分析，建立了偏航通道纵向通道和横向通道子系统模型，并建立了系统的小扰动线性化模型，基于系统的线性化模型，研究了飞行器在定点悬停状态附近的能控能观性和稳定性，能控能观性分析为系统控制器设计提供了依据和指导，稳定性分析结果则验证了飞行器自稳定的特性3双旋翼碟形飞行器的无约束飞行控制本文基于双旋翼碟形飞行器的飞行动力学特点和控制需求设计了飞行器的飞行控制系统，为系统的线性模型非线性模型以及参数摄变的非线性模型分别设计了适用的无约束飞行控制器，完成了姿态控制定点悬停轨迹跟踪以及抗干扰飞行等飞行任务首先，利用双旋翼碟形飞行器的小扰动线性模型设计线性二次型调节器，根据系统模型的耦合特点，为上机身子系统设计了线性二次性最优控制器，实现了对飞行器的姿态控制定点悬停控制和轨迹跟踪控制；其次，设计了双闭环非线性PID控制方法，对横滚角俯仰角和偏航角的控制由内环非线性控制器（Inner NPID）实现，构成系统的内闭环控制，对惯性坐标及速度的控制由外环线性控制器（Outer PID）实现，内环横滚角和俯仰角的期望信号由外环线性控制器（Outer PID）产生，仿真实验检验了双闭环非线性PID控制器的鲁棒性和动态性能，结果表明双闭环非线性PID方法对飞行器非线性模型的控制是可行有效的；最后，针对无人飞行器气动干扰负载变化等因素引起参数变化的问题，为系统的参数摄变非线性模型设计了容错自适应算法，基于李雅普诺夫方法对算法稳定性进行了分析，由于引入的在线估计环节动态补偿了模型参数摄变带来的不利影响，因而保证了参数摄变系统的稳定性和控制精度，仿真实验验证了这一结论4双旋翼碟形飞行器的非线性约束优化控制问题研究针对双旋翼碟形飞行器的非线性约束优化控制问题，根据模型预测控制理论，设计了双旋翼碟形飞行器的非线性模型预测控制器模型预测控制闭环优化的特点保证了控制器具有一定的鲁棒性，稳定性实时性和最优性是双旋翼碟形飞行器模型预测控制器性能改进的主要方向首先，针对模型预测控制核心的有限域优化控制问题（FHOCP）求解问题，提出了一种近似有限域优化控制问题（AFHOCP）来近似代替FHOCP，对预测周期内每一个预测时刻的模型进行递归线性近似化，将复杂的非线性价值函数转化为二次型价值函数，相关理论分析和仿真实验表明，该方法大幅减少优化计算时间，并保证了计算过程的稳定性；其次，在AFHOCP模型预测控制（AFHOCP-MPC）的基础上，针对飞行器纵向通道模型半耦合特点以及模型预测控制预测优化特点，提出了串行预测解耦控制算法，对串行关系的两个子系统分别设计模型预测控制器，利用模型预测控制器的预测信息，建立两个模型预测控制器的串联关系，根据鲁棒模型预测控制理论，分析了串行预测控制器的稳定性，实验结果表明，所设计串行预测解耦控制方法满足了飞行控制实时性和跟踪精度的要求；最后，在串行预测解耦控制方法的基础上，整合李雅普诺夫方法和模型预测控制，设计了滑模模型预测控制算法，基于李雅普诺夫理论分析了算法的稳定性，为了提升算法的实时性，采用分段定值和预先计算控制量策略对算法进行改进，实验结果表明所设计的滑模模型预测控制方法满足了飞行器实时控制的要求，并且在稳定性和优化性能上也获得了预期效果课题获得国家自然科学基金项目(No.61075110)；国家863计划项目(No.2007AA04Z226)；北京市教委重点项目(No.KZ201210005001)；北京市自然科学基金项目(No.4102011)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(No.20101103110007)的资助取得的科研成果，对于优化碟形飞行器的系统结构，分析碟形飞行器的动力学特性，研究碟形飞行器的飞行控制问题具有积极意义和一定的参考价值课题所设计的样机已获得多项国家专利，在无人机技术和控制科学的研究教学领域，以及军用民用无人机领域有广泛的应用价值