多旋翼无人机是近几十年来航空器发展的一个重要分支,与固定翼和直升机相比具有不可替代的优点,成为众多的科研团队的研究焦点。同时多旋翼无人机的应用领域也越来越广泛,在植保无人机领域发展迅猛。目前多旋翼植保无人机的从动力系统上分类主要分为电动植保无人机和油动植保无人机,相比之下油动无人机目前研究较少,桨盘倾斜式六旋翼无人机研究的更少。本文针对桨盘倾斜式油动植保无人机,先后完成无人机建模、底层控制器设计、上层控制器设计、硬件和软件设计,达到油动植保无人机的全自主作业的目标。本文的主要工作内容:(1)植保无人机调研:深入调研市面上的植保无人机种类、系统框架、特点以及实现方案。重点调研了桨盘倾斜式六旋翼的种类以及控制方案,为本设计提供参考。(2)桨盘倾斜式六旋翼无人机的框架设计与建模:首先根据设计的最终目标,即全自主喷洒作业,确定系统总体框架。然后确定无人机的机械结构,在此框架基础上确定桨盘倾斜式六旋翼的模型框架。分别建立了动力系统模型、控制效率模型、姿态与位置动力学运动学模型,并搭建Simulink仿真模型。通过数学模型探讨了与传统六旋翼模型的区别和联系,分析了与传统六旋翼的各自的优缺点,为控制器设计建立基础。(3)底层控制器设计:底层控制器作为系统总体框架的一部分,详细设计了底层控制器框架。在此框架基础上,先后设计出适用于桨盘倾斜式六旋翼无人机的位置控制器、拉力与姿态分配器、姿态控制器和油门分配器。其中拉力与姿态分配器是比传统六旋翼需要额外设计的一个模块,此模块实现了以最小的倾斜角达到位置控制器期望加速度的目标,本文详细讲述了拉力与姿态分配器的分配算法,并绘制分配效果。(4)上层控制器设计:首先设计出上层控制器框架,然后讲述了传统牛耕算法流程,并在其基础上进行改进,使作业效率更高。接着分析任务规划流程,并对算法进行仿真验证。又详细介绍了人工势场直线路径跟随算法并仿真,实验分析了人工势场避障算法、VFH(Vector Field Histogram)避障算法的不足,并对VFH避障算法不断改进,最后将传统人工势场法与VFH算法相结合,实现更优的直线路径跟随与避障相结合的综合路径规划算法。(5)系统硬件软件设计:首先根据系统要求搭建硬件框架,基于CAN总线的设计使系统具备易维护、易升级、易改造的特点,然后再对各个模块进行器件选型、电路设计。软件部分主要介绍了基于CAN总线的协议,自定义完成各个模块之间链路层与传输层的通讯设计,实现模块间透明传输,还有系统中所使用到的关键软件技术。(6)仿真与作业试验验证:通过底层控制器三维可视化仿真,验证底层控制器可行性,并仿真对比拉力与姿态分配控制、纯拉力控制、纯姿态控制三种控制方案各自的优缺点,验证了拉力与姿态分配控制的综合性能更优。通过基于ROS/Gazebo的上层控制器仿真验证上层控制算法的可行性。搭建硬件平台并验证了本设计基于CAN协议开发的上层通讯协议,最后通过现场作业试验,验证桨盘倾斜式六旋翼飞控系统的可行性和各个控制器的全自主综合性能。