目前无人机应用广泛但大部分应用局限于航拍和巡检,还不能和环境进行主动“接触”,对环境中的物体进行交互。为实现与环境的交互,无人机通常需要搭载额外传感器(如机械臂、相机、其他测量传感器等)以完成各项任务,然而由于无人机有限的负载,搭载的传感器受到诸多限制;加上搭载传感器会带来相应的弊端,如无人机的重心偏移、传感器运动对飞行产生的扰动,导致无人机系统的稳定性受到很大影响。针对以上问题,本文在保证实际无人机系统下,从旋翼飞行机械臂系统的动力学模型建立、控制器设计、路径规划和实验验证等方面进行研究,本文主要工作如下:(1)首先针对飞行机械臂系统建模难的问题,对系统进行动力学分析并建立相应的坐标系,引入伪速度并通过欧拉-庞卡莱方程进行动力学建模,得到了无人机的动力学方程并设计控制器进行分析验证,为改善后系统的稳定分析和控制设计提供依据。(2)其次针对机械臂运动对无人机的稳定性影响,设计了基于指数趋近率的滑模PID控制器。在飞行机械臂的动力学模型基础上,与传统的PID控制方法进行控制性能的对比分析,通过仿真实验验证了滑模PID有效减弱扰动影响、增强系统稳定性和鲁棒性的性能。(3)在保证无人机稳定性的前提下,针对无人机飞行机械臂的抓取飞行轨迹设计了基于微分平坦和B样条的轨迹规划。在系统的动力学模型基础上,分析验证了微分平坦理论的可行性;通过微分平坦理论将最优控制问题转化为非线性规划进行求解,实现了位置、速度、加速度多约束条件下的无人机飞行路径点设计,再利用B样条函数平滑拟合。最后通过无人机的轨迹跟踪控制仿真验证了上述规划方法的可行性。(4)最后介绍了本文设计的无人机实验平台,介绍了无人机硬件的各部分组成、位置检测方法以及轨迹规划的实验效果,并通过无人机的飞行姿态数据分析了无人机的稳定性状况。