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四旋翼飞行器作为一种结构新颖、性能卓越的垂直起降无人机,具有重要的科研价值和广阔的市场前景。但由于其控制难度高、有效载荷低、续航时间较短等缺点,使得四旋翼飞行器的发展较为缓慢。四旋翼飞行器系统涉及电机、空气动力学、现代控制理论等多个领域,是典型的多领域耦合系统。传统的单领域仿真分析方法与工具在构建多领域模型时,通常是将各个领域分别进行建模,然后进行集成,往往导致模型系统的耦合性差,从而造成仿真的精度和效率不高等问题,难以胜任复杂机电系统的统一设计分析要求。本文提出采用多领域统一建模的方法,在飞行器运动学模型基础上,添加飞行器动力学模型,同时又基于其非线性、欠驱动、强耦合的特点,设计控制器,并利用多领域仿真优化平台MWorks对其飞行性能进行仿真分析。然后采用拉丁超立方方法进行实验设计,构建四旋翼飞行器RBF性能函数。采用NSGA-II多目标遗传算法进行优化求解。优化结果表明,飞行器的飞行性能得到大幅提升且飞行器的质量得以降低。主要研究内容为:(1)阐述了四旋翼飞行器的发展历史及国内外研究现状,对多领域统一建模方法和优化设计进行了综述。(2)参考国内外文献,对四旋翼飞行器的结构形式及飞行原理进行研究,分析其动力学特性,并根据其特性建立数学模型。并在原有运动学模型基础上,添加飞行器动力学模型,从而构建多领域统一仿真模型。(3)基于多领域统一建模平台MWorks,使用Modelica语言,构建四旋翼飞行器的动力学仿真模型。通过对比飞行器仿真结果与实际飞行速度,误差在3%以内,验证了多领域统一模型的准确性。(4)通过拉丁超立方实验设计,对四旋翼飞行器飞行性能进行仿真,构建四旋翼飞行器RBF性能函数。采用多目标优化方法NSGA-II求取Pareto最优解。与原型系统相比,优化后的四旋翼飞行器不仅在质量上降低了1.4%,同时最大飞行速度提高37%,最小悬停转速降低了20%。