无人机可以在“枯燥任务领域、恶劣环境任务领域和危险任务领域”三个特定的环境领域发挥出重要作用。由于具有体积小、成本低、可垂直起降和定点悬停、机动灵活、隐蔽性好、无人员伤亡、战场生存能力强等优点,微小型无人直升机近年来已经成为国内外的研究热点。在微小型无人直升机的研究中,飞控平台的构建是实现自主飞行前急需解决的关键问题。本论文的主要工作是针对微小型无人直升机对载重、成本敏感的特点,系统而完整地给出了低成本飞控平台和姿态融合算法的原理设计、工程实现及实验验证,包括:飞控系统硬件选型与集成,传感器校正,基于GPS加速度补偿和滤波切换的低成本MARG传感器姿态融合算法的设计、实现及实验验证,速度位置估计算法的设计与实现,以及发动机转速定速器的设计与实现。论文结合低成本MARG传感器的特点,重点研究了无人直升机姿态融合算法的设计。论文的研究成果为微小型无人直升机的辨识建模与自主飞行实现提供了有力保障。论文的主要工作为:1.介绍了论文的研究背景与意义,概述了微小型无人直升机的国内外研究现状,然后对无人机姿态测量技术进行了综述,最后给出了论文的研究目标、内容与篇章结构。2.给出了飞控系统的硬件设计与实现方案,介绍其基本功能;然后介绍了关键传感器的误差模型,对传感器的误差源进行了分析;最后针对捷联传感器的误差特点,提出了一种基于递推最小二乘的椭球校正法,并给出了实验结果,该方法具有一定的创新性和实用性,非常适合低成本捷联加速度计、磁传感器的校正。3.针对基于重力场和地磁场矢量观测的低成本MARG传感器姿态测量系统易受载体运动加速度影响的特点,提出一种用GPS加速度补偿运动加速度以提高载体机动时的姿态测量精度的方法。首先利用三阶最佳差分器从GPS速度差分获得GPS加速度,并对其测量精度进行了实验验证;然后利用GPS加速度与加速度计输出一起构建了比力矢量观测方程;最后给出了基于修正罗德里格参数的姿态融合算法和基于四元数Kalman滤波器的姿态融合算法;前者利用迭代最小二乘姿态确定算法从比力矢量和地磁矢量观测方程得到参考姿态,该参考姿态与陀螺仪输出进行互补滤波融合,其中着重解决了观测滞后与修正罗德里格参数姿态表示方法的奇异问题;后者通过构建线性虚拟观测方程,将带观测滞后的非线性系统滤波问题转化成带时间相关噪声与状态相关噪声的线性系统滤波问题并给出了相应的Kalman滤波算法。4.针对基于重力场和地磁场矢量观测的低成本MARG传感器姿态测量系统易受载体运动加速度影响的特点,提出了一种基于滤波切换的姿态融合算法。利用两个互补滤波器分别估计重力场与地磁场,并分析了互补滤波器的性能;为减小运动加速度对重力场估计的影响,在载体作机动时将重力场滤波器切换到陀螺仪开环积分;分析表明,在一定的切换条件下,切换滤波系统的估计误差是有界的;将该算法和第三章两种算法进行了仿真和实验研究,结果表明三种算法估计的姿态均具有良好静态精度和动态性能,与低成本MARG传感器结合均能满足无人直升机自主飞行的要求。5.在获得姿态的基础上,采用了分级式GPS/SINS组合导航结构,给出了基于互补滤波器的速度位置估计算法;该算法估计无人直升机相对地面站的速度与位置,实现简单、计算量低,适用于短航程无人直升机应用。实验结果表明,该算法都能使分级式GPS/SINS组合导航系统具有较高的导航定位精度,可以满足无人直升机自主飞行的要求。6.给出了一种基于前馈-模糊自整定P1控制的无人直升机发动机转速定速器的设计与实现方案;并将此发动机转速定速器应用于OS MAX 70SZ、YS 91 ST和Rotax 582发动机的转速控制,实验结果表明,被控发动机在有负载干扰的情况下能很好地保持转速稳定,具有良好的抗干扰性能。该方法实际可行、易工程化,可用于其他无人直升机的发动机控制。7.总结了论文的研究成果,并对未来的研究工作做了展望。