跨介质潜空两栖航行器是在空气环境和水体环境中同时具备航行能力,并可以实现介质交界面跨越运动的一类新型装备。其空潜一体化的两栖作业能力,符合“海洋强国”的战略思想,满足“空天地海”全方位立体化探测的任务需求,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文以多旋翼形式的潜空两栖航行器为研究对象,对其各任务剖面的运动控制问题展开研究。论文的主要研究内容如下:(1)布局方案设计与系统建模:结合四旋翼飞行器及遥控水下机器人(ROVs)的布局优势,提出了一种“四气四水”混合多旋翼驱动的两栖航行器布置方案并阐述了工作原理。基于空间坐标变换规律推导得到其运动学模型,基于其受力分析结果采用Newton-Euler法推导得到其动力学模型,并采用伪逆法制定了合理的推力分配方案,为后续运动控制研究奠定了理论基础。(2)单介质运动控制研究:由于水、空单介质运动在数学模型上具有相似性,本文将其统一成单介质工况来研究,并为其设计了基于非线性干扰观测器的指令滤波反步控制器,干扰观测器用以观测外界干扰及系统建模误差,指令滤波器用以产生虚拟控制量的指令信号及其导数,从而避免对其进行复杂的解析求导,仿真试验表明该控制器对三维轨迹的跟踪效果比较精准。(3)跨介质运动控制研究:本文在对比分析了不同介质跨越方式运动特点的基础上,选取了低速垂直跨越介质的方案。通过合理忽略小幅度的俯仰和横滚运动,可将跨介质运动模型简化至四自由度,并提出了基于航行器高(深)度反馈信号的跨越阶段介质参数(密度和动力粘度)等效估计法。根据简化模型的实际特点,设计了分层双回路的控制结构,高(深)度回路采用全状态约束控制器,水平定点动力定位回路采用基于非线性干扰观测器的指令滤波反步控制器。仿真试验表明该方案控制效果较好,全状态约束控制器能够在保证控制精度的同时,有效地限制垂向运动速度,保证跨越作业安全进行。(4)全局切换控制策略研究:基于上述单/跨介质运动控制的结论以及各任务剖面所在作业空间的划分结果,设计了由两栖航行器实时高(深)度反馈信号驱动的全局双模式混合切换控制策略,提出控制力(矩)输出维度增广算法以解决不同模式下控制输出维度不一致的问题,基于驻留时间理论分析了该切换控制策略的稳定性,并得出了航行器在此策略下期望高(深)度轨迹的规划要求——“低频低速跨越”,仿真试验表明该策略有效,稳定性较好。(5)样机研制与试验测试:基于“先能飞后下水”的设计思想,借鉴四旋翼飞行器和ROV的研制经验,搭建了两栖航行器的试验样机,并完成地面站软件的设置与调试。推进器性能试验分别测试了所选两种气/水动力推进器在每种介质中的推力特性,证明其推进性能足以胜任样机的两栖作业任务,室内整机联调及水池试验则进一步验证了该布局方案的可行性及所提控制算法的有效性。