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碟形飞行机器人可以定义为一种以旋翼或涵道风扇为动力的，形如球状或圆盘状的、具有自主控制能力和垂直起降能力的无人机(Unmanned Air Vehicle，UAV)。与其他飞行器相比，它具有结构简单、紧凑、体积小、性能优异等特点。在军事和民用方面拥有极其广阔的应用前景。由于碟形飞行机器人是一种复杂的、强耦合、非线性、多输入多输出的多刚体系统。其系统建模与运动平衡控制问题是控制科学与机器人学科研究的重要问题。 本文论文设计了一种可以借助康达效应产生水平推力的碟形旋翼飞行机器人系统(Disk-typed autonomous aerial robot)，简称DAAR，建立了其相应的动力学与运动学模型，分析了系统特性，并进行了运动平衡控制方面的研究，取得了以下主要成果: 1.碟形旋翼飞行机器人系统设计 本文设计了了一种借助康达效应产生水平推力的碟形旋翼飞行机器人(DAAR)系统，其特征在于采用四个副旋翼环绕一个主旋翼的设计，主旋翼提供主要的升力，副旋翼主要负责飞行器横滚角和俯仰角度的调节。采用一系列可调节角度的导流舵片设计，用于飞行器偏航角度的控制。采用基于康达效应的动力帆设计，为飞行器提供水平推动力。所设计的碟形旋翼飞行机器人系统具有感觉系统、控制系统、执行系统、能源系统及遥控系统等五大电气系统。 2.碟形旋翼飞行机器人动力学建模与分析 首先，经过分析研究，本文采用了Newton-Euler方法进行飞行机器人动力学模型建模，并且对飞行机器人的受力及力矩进行了简化近似的空气动力学建模。进行了零输入和零状态响应验证，仿真结果证明了所建立系统模型的合理性与正确性。最后，分析了飞行机器人重心位置对飞行机器人姿态及运动控制的影响，表明本论文所设计的一种新型的碟形旋翼飞行机器人的在稳定、控制方面的优越性。 3.碟形旋翼飞行机器人PD控制 本文针对碟形旋翼飞行机器人运动平衡控制的特点，提出了一种基于力（力矩）补偿的非线性PD控制方法。该方法将非线性控制器分为内外两环。内环为姿态环，负责飞行器姿态控制，输入期望姿态角是外环的输出量;外环为位置环，负责飞行器位移的控制，输入为期望位移。采用tanθ作为非线性比例环节。通过对数值仿真实验的观察，本文所设计的非线性PD控制可以有效完成飞行器的位置控制和姿态控制两大任务，整个仿真过程超调量小、响应速度快。并进行了线性PD控制与非线性PD控制的对比，证明非线性PD控制具有良好的鲁棒性。 4.基于滑模变结构方法的碟形旋翼飞行机器人控制 本文分析了碟形旋翼飞行机器人的结构特点以及模型特性，并将碟形旋翼飞行机器人控制系统分为两组子系统，分别为位置控制子系统和姿态控制子系统。根据其特点设计了分组三环滑模变结构控制器，并进行了稳定性分析。在MATLABSIMULINK环境下进行了数值仿真实验，实验表明，基于分组三环滑模变结构控制方法在碟形旋翼飞行机器人的位置控制及姿态控制中都能使系统快速的进入稳定状态，表现出良好的性能，通过扰动实验的对比，证明滑模控制系统对外部扰动不敏感，具有比非线性PD控制更好的鲁棒性。 5.基于虚拟样机的仿真分析实验 本文首先利用ADAMS对碟形旋翼飞行机器人进行了三维动力学仿真验证，通过与数字模型仿真验证实验结果的对比，证明了所建立的三维虚拟样机模型和数字模型的正确性。其次，采用MATLAB-ADAMS联合仿真技术对碟形旋翼飞行机器人进行了非线性PD仿真控制实验，实验更加直观地说明非线性PD控制可以较好的控制飞行器的飞行姿态，同时结果更加接近实际物理模型。MATLAB-ADAMS联合仿真避免了大量繁琐的动力学方程的推导，降低了研究难度，节省大量时间，为碟形旋翼飞行机器人的实物研究设计提供了更加可靠的实验数据。