旋翼无人机在智能化军事、农业机械化、环境监测、地质勘探和物流等领域具有巨大的应用平台潜力。同固定翼无人机相比,旋翼无人机的垂直起降、悬停低速飞行的能力使其在执行定点、精准和详查任务时独具优势。其中,涵道式共轴双旋翼无人机的独特布局形式与普通旋翼无人机相比,具有以下优点:结构更加紧凑,安全性更强,气动噪声更低,相同的功率与旋翼直径下,更大的拉力等等。因此,开展涵道共轴双旋翼无人机建模、飞控系统设计及控制算法研究是十分迫切与必要的。由于涵道共轴双旋翼无人机独特的气动外形特点,其建模和控制方法都面临着诸多挑战。本文针对涵道共轴双旋翼无人机动力学建模复杂,模型存在强非线性、耦合性和不确定性以及机体容易受到外界环境干扰等问题设计了控制器。本文研究的主要内容包括以下几个方面:(1)介绍了涵道共轴双旋翼无人机的总体构形与设计参数,综合国内外相关文献,采用模块化思想进行了系统化的样机建模,分别分析计算无人机子系统;结合滑流理论、叶素理论及动量理论对涵道及旋翼升力系统进行动力学分析;采用面元法分析了控制舵面的偏转角度与控制力矩之间的关系;运用刚体动力学相关知识对无人机整机进行建模,得到飞行器的非线性动力学方程和运动学方程。最后,运用工作点附近小扰动线性法对方程进行简化,得到线性化的飞行器模型。为了提高算法数字仿真验证的精度,并保证舵回路的带宽满足飞控系统的带宽及其他指标参数设计要求,需要对真实数字舵机进行正弦扫频实验,利用Matlab对数据进行处理,对舵机进行模型辨识;针对数学模型中相关气动参数未知的问题,进行涵道与旋翼升力系统的升力与扭矩实验,建立升力与转速关系,辨识模型相关参数,提高了数字仿真的精度。(2)针对涵道共轴双旋翼无人机强非线性,模型存在不确定性及容易受到外界干扰影响的特点,提出了一种状态反馈控制器,使飞控系统既能满足干扰抑制指标的约束条件,又能将闭环极点配置在期望的区域内,使闭环系统稳定且满足一定动态性能指标,并且,给出了线性矩阵不等式的形式,由推导的定理给出控制器设计要求满足的条件,数值仿真实验说明,闭环系统在一定不确定性与干扰因素下仍保证系统的鲁棒稳定性,同时获得令人满意的动态性能。(3)针对涵道共轴双旋翼无人机在复杂工作环境可能出现的有限频域传感器故障问题,本文提出了一种基于观测器的混合指标H_-/H_?鲁棒容错控制方法,使得飞行器在发生特定频域故障时保障飞行器的干扰抑制指标约束条件与故障敏感性约束条件,给出了控制器存在的线性矩阵不等式条件与证明过程。数值仿真实验说明,此控制方法可以在故障发生时快速检测,故障检测更具针对性,同时又能完成较好的飞行控制任务,满足相应的性能指标。(4)针对涵道共轴双旋翼无人机存在的非线性耦合、模型不确定性与阵风干扰,提出了一种将动态观测器与H_?理论结合的控制方法,充分考虑了各子系统之间的耦合作用,利用动态观测器的实时过程状态变量,确定控制器与观测器存在条件,通过给出的线性矩阵不等式推导确定。数值仿真说明,控制算法的有效性,对阵风与耦合的抑制作用与姿态稳定。(5)半物理仿真实验设计验证飞控算法的正确性与有效性,将舵系统与传感器等实物加入到半物理仿真中,通过仿真细化控制器的控制参数,提供参数调整及改进依据。