随着空中机器人技术的快速发展与日益成熟,无人机在越来越多的领域得到了广泛的应用。而多旋翼无人机作为最常用的无人机之一,以其体积小、运动灵活、定点悬停等优势广泛应用于侦查、巡航、航拍等领域,但这些应用主要是对环境的感知,无法主动对环境施加操作,大大限制了四旋翼无人机的应用范围。为解决该问题,在四旋翼无人机上加装主动作业装置,形成旋翼飞行机械臂,以提升四旋翼无人机的主动作业能力,具有重要的工程价值和科学意义。本文基于旋翼飞行机械臂空中抓取的应用场景,针对机械臂运动会对系统造成较大扰动的问题,重点研究系统的鲁棒姿态控制算法,并通过大量仿真进行控制性能分析和对比。首先分析了旋翼飞行机械臂的国内外研究现状,分别建立了四旋翼飞行器的运动学模型与二自由度机械臂运动学模型。经过分析总体建模与独立建模的优缺点,选择独立建模方法建立系统的动力学模型。利用牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器的动力学模型,采用拉格朗日方程建立二自由度机械臂的动力学模型。其次,基于建立的系统模型设计系统控制器。提出了一种分离式的控制策略,分别设计四旋翼飞行器和机械臂的控制器。针对旋翼飞行机械臂运动过程中机械臂的运动会对四旋翼飞行器的姿态产生严重扰动的问题,提出了一种基于扰动观测器的模糊滑模姿态控制方法,采用扩张状态观测器估计机械臂运动对系统产生的扰动并进行补偿,通过模糊控制来抑制传统滑模控制存在的抖振效应。同时,基于特征建模理论提出了一种带有扰动估计的前馈全系数自适应姿态控制方法,有效提高了传统全系数自适应算法的响应速度和鲁棒性。然后,针对旋翼飞行机械臂抓取任务,模拟自然界中白头鹰捕食动作,设计了一种分段式抓取策略。将整个作业轨迹分为两段:机械臂预动作阶段、抓取及飞离阶段。机械臂预动作阶段主要是提前调整机械臂位姿使其以一个最佳的姿势靠近目标,靠近目标后,机械臂快速抓取到目标同时飞离作业点,到规定的终点悬停结束作业任务。基于该抓取策略,采用最小化四阶加速度(Minimum Snap)方法规划系统的飞行轨迹以保证系统能够平滑可靠地飞经起点、抓取点及终点这三个关键点,同时,基于PID控制理论设计了轨迹跟踪控制器。最后,通过MATLAB仿真评估了所提出算法的鲁棒性、先进性和有效性。结果表明,设计的姿态控制器在系统的响应时间及对于扰动的抑制效果等方面提升效果显著,可以实现空中抓取目标的任务。