与传统四旋翼相比,变桨距四旋翼是通过改变螺旋桨的桨距来控制四旋翼的姿态的。采用变桨距控制对控制信号响应更加迅速、精确。同时为单动力输出布局的四旋翼设计提供可能。以内燃机为动力可以大幅提高旋翼飞行器的航时与载重量。但同时也增加的整个旋翼飞行系统的复杂程度,需要对其涉及到的关键技术进行研究。本文主要针对变桨距旋翼所涉及到的系统建模、控制器设计、平台设计等技术开展了研究。(1)总结了论文的研究背景及意义以及目前多旋翼的发展状况。介绍了变距旋翼的控制技术、动力技术、变距螺旋桨技术及其具体实现途径。(2)建立了变距旋翼的动力学模型,包括六自由度运动学模型及动力学模型,并对模型进行了线性化处理。同时推导了“电机—变距螺旋桨”的动力学模型,通过实验辨识的方法得到了变距螺旋桨的力与力矩参数,通过数值仿真可以发现变距螺旋桨对控制输入响应更加迅速。(3)开展了变距旋翼的总体参数设计,以起飞重量为设计起点,通过公式推导逐步得到各个关键参数,包括悬停功率、旋翼半径、机架尺寸、电机功率等参数。设计了变距旋翼的传动方式,讨论了齿轮传动与带传动的优劣,并最终选择同步带转动作为主要传动方式。根据总体设计中得到的各个参数完成了变距旋翼实物平台的搭建,并开展相关实验,得到了变距旋翼的质量特性(重量、转动惯量)及变距螺旋桨的力与力矩系数。(4)开展了变距旋翼控制器设计研究,采用经典的PID控制算法,以线性化模型为对象设计了变距旋翼的控制器。以姿态回路为内回路,位置回路为外回路,通过由内到外上的设计原则开展变距旋翼的控制器参数整定工作。并将设计得到的控制参数带入到非线性模型中开展仿真实验。通过实验可以发现PID能够较好的实现变距旋翼的姿态及位置控制。(5)以开源飞控为基础,介绍控制系统的结构及各部分功能。通过修改变距旋翼的控制分配模型来实现变距旋翼的控制,并通过大量实验实现变距旋翼的稳定飞行。