变质心控制技术在再入飞行器姿态控制的研究中大多停留在理论层面,飞行器实际飞行过程中的参数摄动、未知环境干扰力矩以及变质心控制系统的时滞问题等无法通过精确建模手段进行仿真研究。本文将变质心控制技术与四旋翼无人机相结合,设计一种变质心四旋翼无人机,不仅能够弥补变质心控制技术研究中难以实验的短板,也为旋翼飞行器的姿态控制提供了新思路。主要工作内容如下:首先介绍本文所研究的变质心四旋翼无人机基本构型,通过牛顿-欧拉方程,在机体坐标系下建立变质心四旋翼无人机的八自由度动力学方程。将变质心四旋翼无人机的参数进行分类,对各个参数的设计原则进行讨论并给出一组预设值,在预设值的基础上对系统姿态运动进行仿真,结果表明变质心机构能够改变四旋翼姿态,并且由于通道间的耦合作用导致未安装滑块的偏航角有一定的漂移。之后考虑到系统参数对系统的通道耦合与姿态控制能力的影响,从运动特性分析的角度对姿态动力学与滑块动力学展开分析,得到了影响姿态运动以及滑块动的扰动因素。通过仿真手段对变质心机构参数的设计原则进行研究。研究表明当降低通道间耦合和增强系统的姿态控制能力对滑块质量和行程的要求具有矛盾性;当滑块安装位置偏移机体惯性主轴,通道间的耦合增强但对系统姿态控制能力的影响是不确定的。最后考虑到四旋翼的各项功能均以姿态控制为基础,变质心四旋翼无人机是一个具有输入非线性与扰动力矩有界的耦合系统,设计了指数趋近律的双回路姿态、滑块滑模控制器。仿真表明,双回路滑模控制器在考虑控制饱和、机体参数误差、环境干扰等情况下均能实现姿态的稳定控制,具有良好的鲁棒性。