由于具有出色的悬停和垂直起降能力、独特的机身构型,小型共轴双旋翼飞行器在军用和民事领域展现出了巨大应用价值,引起了国内外研究机构的广泛关注,并且已经渐渐成为目前国际上无人飞行器研究方向的热点之一。然而,国内小型共轴双旋翼飞行器的研究存在起步较晚、研究基础薄弱等问题,与国外先进水平之间还有一定的差距,此外,小型共轴双旋翼飞行器自身的强耦合性和非线性给此类飞行器的建模和控制研究提出了很大挑战。因此本文依托实验室的预研项目,以课题组提出的一种小型共轴双旋翼飞行器为研究对象,分别在此类飞行器的系统方案设计、结构设计、数学建模和飞行控制等方面开展了一系列的研究工作。首先阐述了研究小型共轴双旋翼飞行器的目的和意义,概述了小型共轴双旋翼飞行器的特点和国内外发展现状,并且介绍和分析了此类飞行器建模和控制器设计研究的国内外现状,在此基础上,给出了本文的研究内容和思路。其次,对小型共轴双旋翼飞行器进行了详尽的系统方案分析,建立了飞行器总体系统方案的模型,得出了飞行器的总体气动布局和结构布局。在此基础上,完成了全机各分系统结构设计,设计、制作了原理样机,并对样机的进行了多科目的实验研究,验证了所设计飞行器的可行性。再次,以所设计小型共轴双旋翼飞行器为研究对象,研究其数学模型和动力学建模,在考虑上、下旋翼干扰、桨叶挥舞和操纵机构运动学情况的基础上,完成了对此小型共轴双旋翼飞行器的整机非线性动力学建模。提出了基于虚拟平台的联合仿真建模方法,在Simulink仿真模型中添加Simwise4d动力学模块,通过数学模型与虚拟平台样机产生数据的交换,使用联合仿真的方法完成了动力学模型的建立和仿真验证。最后,根据小扰动假设完成了对飞行器整机非线性动力学模型的配平及其线性化,针对飞行器系统的姿态和轨迹被控制量,完成了基于神经网络补偿的动态逆控制器的设计和基于神经网络补偿的PID控制器设计,在Simulink中搭建了控制器模型,完成了控制器的仿真试验,验证了所设计控制器的正确性和有效性。