随着科技的进步,四旋翼飞行器得到了广泛的应用,从人工遥控状态下的航拍,到完全自主地进行物体跟踪和包裹投递,可以预见在不久的将来,四旋翼飞行器能够自主地完成更加复杂的任务。作为一个典型的非线性欠驱动系统,四旋翼飞行器在复杂条件下的精确控制是十分困难的,尤其是与外界物体进行交互时的控制更加具有挑战性。为了满足四旋翼飞行器未来的应用需求,解决其与外界物体交互时的复杂控制难题,本文研究了四旋翼飞行器接杆控制方法,搭建了整个实验系统,深入研究了交互条件判断,接杆前的飞行控制和接杆后的悬停控制等问题,并进行了实验验证。主要研究工作可以归纳为以下几个方面:首先,从四旋翼入手,给出了相关坐标系定义和转换关系,建立了四旋翼的数学模型。再从杆的角度出发,建立了杆在空中做自由落体运动时的动力学模型。在此基础上,又进一步建立了飞行器与杆组合时的四旋翼倒立摆系统的模型。并在平衡点附近对模型进行了线性化处理,为后续控制算法的设计奠定了理论基础。其次,根据实验任务需求设计了四旋翼实验系统的总体方案,搭建了由四旋翼飞行器、机载计算机、室内光学定位系统和安装光学靶标的碳杆四个基本部件组成的硬件平台。在此基础上设计了对应的软件模块,针对不同模块给出了功能描述和运行流程,为后续实验的顺利开展奠定了基础。然后,为保证四旋翼能够精确地接杆,基于杆的动力学模型,利用杆的实时测量的信息,设计了杆的姿态和轨迹预测算法,接着从能量守恒的角度分析了接杆条件,推导了计算最佳接杆点和接杆时刻的公式。然后,为保证四旋翼在满足一定物理约束的条件下,在既定的时间内飞行到接杆点,设计了相应的轨迹规划算法。在此基础上,针对四旋翼接杆的不同阶段,设计了多套控制算法以完成飞行、接杆和立杆悬停功能,并通过仿真验证了上述方法的有效性。最后,将上述算法编程实现,利用开发的实验平台对整个系统的功能和性能进行了实验验证;实验结果表明,系统能够准确预测杆的飞行姿态和轨迹,四旋翼飞行器能够按照规划的轨迹精确地飞行到接杆点,接杆后四旋翼飞行器能够实现杆的稳定倒立与悬停。这充分验证了整个系统的硬件、软件和算法的正确性。