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科学技术发展日新月异，对传统农业带来了巨大的冲击。近些年来，随着无人机技术的发展，农场普遍开始使用农业植保机进行作业。但许多农场面积宽阔、喷洒巡航等作业时间长，利用多旋翼无人机因载重限制在许多长时间作业效率不高，固定翼飞行速度快，不适用于农业植保机。于是专家学者们逐渐开始研究自转旋翼机植保机，因自转旋翼机结构简单、成本低、安全性高，而且是一种低空、低速的飞行器，在农业植保机方面有天然的优势。本文在该现状下进行研究工作，研究内容包括对自转旋翼机的改装、建立完整的数学模型、稳态分析、纵横操纵分析、基于改装的控制策略设计、基于改进PSO算法的的二自由度PID控制器设计，最终设计出完整的飞行控制软件和地面站系统，在Matlab和FlightGear搭建全数字仿真实验。
本文首先对一架民用自转旋翼机分结构进行基本介绍，利用三维扫描仪得到三维结构图，在人工驾驶基础上对操纵结构进行改装，根据操纵结构分为了旋翼操纵改装、油门开度控制改装、垂尾控制改装、刹车系统改装，设计出安装舵机的固定架、舵机安装位置以及油门闸阀和刹车电机装置，为后续改装控制奠定基础。
随后本文建立了建模所需要的的各个力矩坐标系，根据空气动力学分析了无动力旋翼的自转特性，依其结构组成和各个结构的飞行动力学建立相应的模型，通过坐标系将力矩统一转化到机体坐标系下，得到旋翼机的运动学方程。在数学建模基础上对自转旋翼机的纵横稳定性进行研究，并结合自转旋翼机的改装方案，对旋翼机的纵横操纵特性进行综合分析，最终设计出对应操纵结构的控制方案。因在操纵时比较复杂，作为主要升力的旋翼无法直接控制转速，响应滞后等特性，本文设计二自由度PID控制器，采用多PID控制结构对响应速度和鲁棒性进行分别调节，在对PID参数整定上利用改进PSO算法，能够较快地整定最优三个PID控制参数，加快系统响应速度，通过仿真验证结果表明基于改进PSO算法的二自由度PID控制器具有良好的控制效果。
最后介绍了旋翼机飞行控制系统的开发和全数字仿真的搭建，其中详细介绍了飞行控制系统的软硬件组成、地面站的设计等，随之为了验证其有效性，利用MATLAB和FlightGear软件搭建全数字仿真平台，验证旋翼机做平飞、爬升和作圆周运动，监测旋翼机的油门开度变化、俯仰角变化、空速变化、横滚角变化、高度变化，根据仿真结果验证了无人自转旋翼机的飞行控制有效性和可行性。
本文首先对一架民用自转旋翼机分结构进行基本介绍，利用三维扫描仪得到三维结构图，在人工驾驶基础上对操纵结构进行改装，根据操纵结构分为了旋翼操纵改装、油门开度控制改装、垂尾控制改装、刹车系统改装，设计出安装舵机的固定架、舵机安装位置以及油门闸阀和刹车电机装置，为后续改装控制奠定基础。
随后本文建立了建模所需要的的各个力矩坐标系，根据空气动力学分析了无动力旋翼的自转特性，依其结构组成和各个结构的飞行动力学建立相应的模型，通过坐标系将力矩统一转化到机体坐标系下，得到旋翼机的运动学方程。在数学建模基础上对自转旋翼机的纵横稳定性进行研究，并结合自转旋翼机的改装方案，对旋翼机的纵横操纵特性进行综合分析，最终设计出对应操纵结构的控制方案。因在操纵时比较复杂，作为主要升力的旋翼无法直接控制转速，响应滞后等特性，本文设计二自由度PID控制器，采用多PID控制结构对响应速度和鲁棒性进行分别调节，在对PID参数整定上利用改进PSO算法，能够较快地整定最优三个PID控制参数，加快系统响应速度，通过仿真验证结果表明基于改进PSO算法的二自由度PID控制器具有良好的控制效果。
最后介绍了旋翼机飞行控制系统的开发和全数字仿真的搭建，其中详细介绍了飞行控制系统的软硬件组成、地面站的设计等，随之为了验证其有效性，利用MATLAB和FlightGear软件搭建全数字仿真平台，验证旋翼机做平飞、爬升和作圆周运动，监测旋翼机的油门开度变化、俯仰角变化、空速变化、横滚角变化、高度变化，根据仿真结果验证了无人自转旋翼机的飞行控制有效性和可行性。