近年来多旋翼无人机在工业应用中发展迅猛,严酷的应用环境对其可靠性提出了越来越高的要求,而提高无人机可靠性的一个重要方面就是提高飞控计算机的可靠性。应用余度技术是提高飞控计算机可靠性的根本途径,但受限于多旋翼平台的载荷与空间,传统余度飞控系统无法在其上应用。随着芯片级MEMS传感器的发展,使得设计面向多旋翼的余度飞控系统成为了可能。本文从工程应用的角度出发,旨在设计一套小型、轻量、可靠的面向四、六、八轴多旋翼飞行器的三余度热备份飞行控制系统。其创新之处在于提出了 一种选通与融合相结合的多模态控制方法,使系统可靠性更高,同时具有传感器冗余、输出自监控、面向多旋翼平台等特性。相应的工作内容如下:(1)单体飞控系统设计;基于Pixhawk开源飞控硬件框架,本文开发了 一款具有多重冗余特性的小型轻量的双ARM架构飞控系统,并移植了 APM开源飞控软件。该飞控系统即可独立工作完成飞行任务,也可作为余度系统的一个子系统参与控制。最后,介绍了基于该飞控系统进行的风机叶片检测无人机的应用研发。(2)余度仲裁系统设计;本文设计了一套选通与融合相结合的多模态控制方法,基于飞控自诊断输出的置信度信号与余度系统监控所得的健康度信号,结合各飞控的优先级,来进行输出模态的仲裁,并开发了以CPLD为核心的余度仲裁系统硬件电路。(3)实验验证;本文通过仿真与实际飞行相结合的方式对余度飞控系统展开验证。基于仿真,通过不同的测试用例直观展示仲裁系统的工作状态;应用四旋翼实验平台,通过故障注入的方式,验证余度系统的实际工作情况,并对各模态切换中的扰动进行了分析。最后验证了某子系统输出错误控制量时系统的工作性能,结果显示有效提高了系统的鲁棒性。本文设计的单体飞控系统已经在雷达标校、风机叶片检测、农业植保等多个无人机项目中投入了使用,并通过了振动、高低温等一系列测试。开发的余度飞控系统在实验平台上进行了 一系列的验证,结果表明可有效降低飞控子系统故障对整体带来的影响,对提高系统可靠性具有重要价值。