无人机是一种利用无线电遥控设备或自动控制装置操纵的无人驾驶飞行器,在消防、救援、电路巡检和航拍等领域有广泛的应用。根据无人机的结构,无人机可分为多旋翼无人机、倾转旋翼无人机、固定翼无人机和扑翼无人机等。其中多旋翼例如四旋翼无人机和倾转旋翼无人机等旋翼无人机具备垂直起降能力,可通过安装不同负载设备完成各种任务。旋翼无人机连接负载的方式主要包括三种:一是固定连接负载,二是通过机械臂抓取负载,三是通过绳索吊挂负载。通过绳索吊挂负载这种方式具有如下优点:与第一种方式相比,不用考虑负载的形状尺寸与无人机的匹配问题,无人机无需降落就能进行负载装卸,与第二种方式相比,无需复杂的连接结构。由于上述优点,吊挂负载多旋翼无人机系统适用于运输、救援和勘测等领域,具有非常重要的应用价值。吊挂负载多旋翼无人机系统是一种典型的非线性欠驱动系统,在吊挂飞行过程中负载极易发生摆动,进而严重影响运输过程的稳定性,甚至导致严重的失控。设计新的控制方法提升吊挂负载多旋翼无人机系统在飞行运输过程中的稳定性,是具有重要研究意义和应用价值的。本文对吊挂负载四旋翼无人机系统和吊挂负载共轴倾转旋翼无人机系统的建模和控制器设计展开了系统研究,主要研究内容如下:一、对于吊挂负载四旋翼无人机系统,目前其他文献中的动力学模型是在将负载假设为质点的假设下提出的,忽视了负载受到空气阻力和旋翼下洗流作用力。但是在吊挂运输大体积负载的情况下,上述气流作用力会对系统造成不可忽视的影响,有必要对其进行建模和研究。本文通过拉格朗日函数和欧拉-拉格朗日方程建立动力学模型,该模型考虑了作用在负载上的空气阻力和下洗流作用力,并通过实验测量结合参数拟合的方法对上述气流作用力进行了建模。二、吊挂负载四旋翼无人机系统是一种典型的非线性欠驱动系统,在飞行过程中,吊挂负载容易受到外部干扰的影响发生摆动,进而严重影响飞行过程的稳定性。基于吊挂负载四旋翼无人机系统的动力学模型,考虑系统的欠驱动特性和负载质量的不确定性,本文提出一种串级结构自适应控制算法。通过所设计的自适应控制算法,在负载质量参数不确定的情况下,系统能够实现准确的负载速度控制和摆动角控制,进而提升四旋翼无人机在吊挂飞行时的稳定性。然后,设计并搭建吊挂负载四旋翼无人机实验平台,该平台主要由四旋翼无人机和新设计的吊挂负载模块组成。吊挂负载模块通过新设计的结构将电子陀螺仪安装在绳索上以测量负载摆动角,其测量效果不受环境光线和障碍物遮挡的影响,具备全天候应用的潜力。最后,仿真实验和实际飞行实验结果表明,所设计的控制系统能够将吊挂负载四旋翼无人机系统从各种初始不稳定状态快速稳定到悬停状态,并能够在负载质量不确定的情况下实现准确的负载速度控制和负载摆动角控制。三、倾转旋翼无人机具有飞行速度快,灵活性好的特点,是一种理想的吊挂负载运输平台。但是,倾转旋翼无人机本身的结构复杂,控制困难,并且倾转旋翼无人机在吊挂负载飞行时容易发生摆动。针对以上问题,本文分别从共轴倾转翼无人机本身的建模与控制和吊挂负载共轴倾转翼无人机控制两个方面进行了控制研究。在共轴倾转翼无人机方面,设计并搭建了一种新型共轴倾转翼无人机,该无人机采用前面两对可倾转的共轴旋翼和尾部一升力旋翼的倒三角动力布局方案,此方案具有结构紧凑和控制冗余度高的优点。基于模型提出了一种串级结构自适应控制算法实现共轴倾转翼无人机的速度控制和姿态控制,并通过李雅普诺夫方法分析了在受到外部干扰的情况下共轴倾转旋翼无人机闭环系统的稳定性。通过仿真实验、地面台架试验和实际飞行实验验证了所提出的控制方法的有效性。在吊挂负载共轴倾转旋翼无人机方面,将共轴倾转旋翼控制算法和吊挂负载四旋翼无人机的动力学模型和控制算法相结合,提出了一种采用串级结构的非线性控制算法来实现负载摆动角控制和负载速度控制,进而提升吊挂负载共轴倾转旋翼无人机系统在飞行过程中的稳定性。最后,进行了多组仿真实验,结果表明所设计的控制算法能够将吊挂负载共轴倾转旋翼无人机系统从各种初始摆动状态自动稳定到悬停状态,并且能够实现准确的摆动角控制和负载速度控制。通过以上工作,实现了从吊挂负载旋翼无人机系统的理论分析到实际验证的系统研究。在本文研究基础上,未来将进一步考虑吊挂负载旋翼无人机鲁棒控制和带翼面的共轴倾转旋翼无人机吊挂负载飞行控制。