随着无人机技术的飞速发展以及相关产业的日益成熟,无人机越来越多地出现在人们的视野当中,并展现出其强烈优势,如航拍、电力巡检、军事侦查、灾害现场勘测、大范围环境建模等,但这些应用都局限在对环境的被动监测。于是,越来越多的研究者致力于为无人机赋予对环境施加主动影响的能力,例如高空杂物清除,运送货物等。其中一个研究的热点就是将多自由度机械臂装载在无人机机体上,通过机械臂的操作执行更加复杂的任务,研究者们称之为飞行机械臂系统。然而,因为引入了机械臂,就需要解决机械臂和无人机之间的耦合效应带来的复杂系统的协调控制问题,大大增加了研究难度。本文研究的是飞行机械臂系统的机动抓取操作,目的是使飞行机械臂在实际环境中准确、快速、无需悬停地抓取目标物。其难点主要体现在需要有效地跟踪目标物以及克服无人机和机械臂之间因为相对运动产生的扰动。为了解决这些问题,首先,本文提出了一个轻型的3自由度的机械臂,它通过同步带结构将重心上移到机械臂基座附近,具有重心随运动变化小的特点,从结构上减小了机械臂运动对无人机的影响。对于目标物的跟踪,本文在无人机的正前方装载了一个由伺服舵机驱动的单目相机,并且将无人机和相机看成一个2自由度的虚拟机械臂,本文称之为无人机-相机虚拟臂。对这个无人机-相机虚拟臂,设计了基于位置的视觉伺服控制器,通过对相机位置的控制,可以使目标物始终保持在相机视野的正中心。在整个机动抓取任务过程中,本文分别在笛卡尔空间规划了无人机和机械臂末端执行器的轨迹。然而在执行抓取操作时,因为无人机运动会对机械臂的轨迹跟踪产生影响,为了解决这个问题,本文提出了一种基于运动学补偿的前馈控制方法,能够使机械臂即使在无人机运动的情况下也能准确抓取到目标物。以上方法本文都在实物飞行机械臂平台上进行了验证,并体现出了良好的效果。本文通过对飞行机械臂机动抓取过程中关键问题的研究,能够实现飞行机械臂系统在真实场景中准确、快速、无需悬停地自主抓取操作,对于飞行机械臂系统实际抓取的应用具有重要参考意义。