小型水上无人机,是结合水上飞机和无人机的一些特性的特殊飞行器。它既有水上飞机的良好的机动性和可达性,又有着无人机的轻巧便捷、危险性低的特点,因此在水上作业的效果十分良好。在水上作业,需要有一个平稳的姿态,利用捷联惯导技术进行姿态测量解算是国内外研究的热点,除此之外,水上无人机从空中飞向水面进行水上滑行时也需要进行相关控制设计,否则容易引发事故。本课题是在阅读了大量的水上飞机文献以及相关的无人机文献,并对国内外水上飞机的现状进行分析后,提出了主要关于小型水上无人机的飞行控制系统设计、姿态研究、以及控制率设计的研究方案。首先详细介绍了无人机相关坐标系的转换关系和捷联惯导系统的基本原理,然后对无人机的姿态的解算方法(欧拉角法、方向余弦法、四元数法)进行一一分析对比,最后深入研究四元数法解算姿态的具体步骤。在水上无人机飞控硬件设计上,采用主从微处理器(ARM+DSP)作为核心,在外界信息的采集上主要有MIMU单元模块、气压计模块、GPS模块,再加上电源模块、串口通迅模块、JTAG模块、伺服驱动模块和液晶模块,组成了一个完整的飞控电路。系统软件部分则是利用常用的程序开发平台来编写和编译,对于各个传感器模块则是在静止状态下测试其性能参数,采集并保存的数据在MATLAB下进行仿真实验,GPS模块测试了单个导航与双导航的精度高低,最后采集的数据由液晶模块显示。课题最后则是重点对姿态研究和着水时的控制率设计。独立的陀螺仪测试数据误差较大,因此需要进行误差修正,通过九轴的信息数据来辅助修正,然后进行数据融合和组合导航,最终测试结果显示组合导航确实精度更高。水上无人机除了空中飞行之外,还能够水上滑行,对于从空中飞向水面的着水过程会产生不稳定运动,这是十分危险的,需要进行控制率的设计。建立水上飞机水动力方程,根据着水不同阶段的飞行特点,通过PID算法控制,设计了高度控制回路和姿态控制回路,在MATLAB/simulink下进行仿真,仿真结果表明了控制率设计的合理性和可靠性。