近年来,利用无人机进行大气数据测量与信息收集越来越受到重视。与固定翼无人机相比,旋翼机具有低空飞行、定点悬停、可在危险环境中飞行等特点,利用旋翼无人机进行风场环境的估计和测量能够有效降低测风成本。本文在不增加额外风场测量传感器的基础上,着重研究了以四旋翼飞行器为平台的风场估计方法,为低空近地面风场估计提供了一种在线的、具有较高时空分辨率的解决方法。论文主要贡献如下:(1)深入研究了风场环境下的四旋翼飞行器动力学建模问题。首先,基于牛顿-欧拉方程建立了有风扰动下的四旋翼飞行器的动力学模型;进一步根据旋翼动量理论和旋翼叶素理论,分别详细研究了旋翼产生的力/力矩与旋翼转速、风速、气流流入角等之间的相互影响关系,从而得到更为准确的四旋翼飞行器及旋翼的数学模型,为四旋翼飞行器的悬停控制设计和风场估计研究奠定了基础。(2)设计了四旋翼飞行器的抗风扰悬停控制律。考虑到以四旋翼飞行器为平台的风场估计方法对姿态跟踪控制器的快速性能、无静差、抗噪声等方面的要求,设计了基于自适应滑模方法的四旋翼姿态跟踪控制器。由于串级控制系统的模型复杂,控制律设计难度大。因此,设计了基于PID方法的位置稳定控制律。由于控制系统自身的鲁棒性,四旋翼飞行器具有一定的抗风扰能力,为风场估计方法研究提供了平台。(3)提出了两种四旋翼飞行器的横侧向风场估计方法。其中,基于动力学方程的风场估计方法是利用已有的四旋翼飞行器的动力学模型反推计算,得到横侧向风场的表达式。而基于倾斜角的风场估计方法则是根据悬停时风场与飞行器倾斜角的对应关系,估计得到横侧向风场矢量信息。通过仿真计算,比较了两种方法对低空近地面风场环境中典型的平均风、紊流和阵风的估计效果。(4)提出了两种四旋翼飞行器的低空近地面空间风场重构方法。利用四旋翼飞行器多点飞行采样,分别基于单因子回归模型和卡尔曼滤波回归模型,对空间风场分布进行了重构。仿真实验中,首先考虑到大气风场中的高频成分对重构结果造成的影响,研究提出了基于卡尔曼滤波方法的横测向主风提取方法;然后基于以上两种方法,分析重构了空间中的风切变分布,验证了方法的可行性。(5)设计了四旋翼飞行器的风场标定试验方案。通过室内和室外的两种风场标定方法,得到了四旋翼飞行器倾斜角与风速之间的关系。通过对初步的飞行数据进行分析,验证了试验方案的可行性。