由于四旋翼无人机具有结构简单、携带方便、机动性能良好、能实现定点悬停、拥有垂直起降等能力。在其搭载高清摄像机等云台之后,已在影视航拍、农业植保、环境监测、军事侦查、电力检测、紧急救援等方面发挥越来越重要的作用。由于四旋翼无人机本身是典型的欠驱动系统,需要依靠四个螺旋桨提供的动力而实现位置和姿态的控制共六个输出,且具有强耦合、非线性的特点。为了增加应用范围,实时增加云台是很好的选择,但是这样将改变原有四旋翼无人机的控制机理。针对以上挑战,本论文完成带机械臂的空中机器人的设计,实现在一定范围内自主控制飞行和实现对目标物体的抓取与投放的任务,为带机械臂的空中机器人的实际应用做前期的理论研究。主要构建完备的轨迹跟踪实验测试平台、实现机械臂云台无线自主控制、实现带机械臂的空中机器人自主飞行控制、实现对目标物体的自主抓取与投放的实验。完成如下工作:1、完成四旋翼无人机飞行原理分析,建立严格的四旋翼数学模型,构建完备的四旋翼无人机动力学微分方程,通过实测以及Solidworks软件仿真方法辨识微分方程中主要参数。提出悬停状态下无扰动控制器的设计,采用各个通道独立解耦的方式,分别对姿态、位置进行控制,并且在Matlab/Simulink模块中进行仿真,验证所设计的姿态角控制器响应时间分别为0.614s,0.811s,1.051s。2、提出搭载机械臂的空中机器人。建立完备四旋翼无人机的动力系统,选用碳纤维材料为机架,轴距550mm、板材厚度2mm,并且在ANSYS/Workbench18.0中仿真辨识机架强度足够。提出三自由度数字舵机LD-27MG为动力源的机械臂,作为四旋翼无人机的机械臂云台。分析机械臂的运动原理,在Keil uVision5环境下,设计机械臂的无线自主控制程序,并且在搭建的机械臂运动空间辨识平台下,分别试验测量1-4号数字舵机PWM脉冲信号的范围,辨识机械臂的有效运动空间。3、构建自主抗扰动轨迹跟踪实验仿真平台。实验仿真分别输入理论姿态角,并且实际测量辨识姿态角度,对比理论输入姿态角与实际测量姿态角误差率在2.55%至2.91%之间。同时完成边长为1000mm的测试带机械臂的空中机器人的平台。在Mission Planner地面站中重新标定了IMU参数以及辨识了AT10参数。4、提出自适应调整PID控制参数,分别构建外界X、Y轴扰动的仿真实验。得出翻滚角迟滞时间减小,轨迹跟踪良好;且俯仰角经过0.477s之后在理论输入范围内波动,波动时间2s,之后系统达到稳定;偏航角经过0.417s之后在理论输入范围内波动,经过2s的微小波动后,系统达到稳定,且在提高偏航角的控制参数之后,其响应时间为0.5s。5、构建完整的自主控制实验平台,完成在小范围内对目标物体的抓取与定点投放任务。