垂直起降无人机的出现弥补了多旋翼无人机续航时间短和飞行效率低的缺点,解决了固定翼无人机精准起降控制难的问题,可以满足日益复杂的农业低空遥感任务需求。本研究主要针对农业遥感需求进行尾座式垂直起降无人机的设计,针对无人机的水平飞行和垂直起降的气动布局进行结构优化,并针对无人机在大迎角下的气动特性和姿态转换方程进行研究,为尾座式垂直起降无人机姿态转换控制理论提供依据,同时进行了结构参数与续航时间关系模型的研究,为长续航农业遥感垂直起降无人机的设计和优化提供理论基础。论文的主要研究内容及结论如下:（1）尾座式垂直起降无人机布局选型和总体参数设计。在分析农业遥感需求和现有遥感无人机参数范围的基础上,确定无人机的设计指标为:起飞重量小于5kg、有效载荷500g、续航时间大于30min、翼展小于1.3m、飞行速度为12～20m/s。根据续航时间、设备拓展和操作稳定性等多个性能指标对多种布局形式的无人机进行对比分析,确定农业尾座式垂直起降无人机的最优布局方式为飞翼双动力前拉式布局;由翼载荷、功重比和动力系统效率的估算结果,确定无人机的起飞重量为3kg,翼面积为0.5m2;结合翼型极曲线的筛选结果确定无人机的翼型为Sipkill 1.7/10。（2）尾座式垂直起降无人机机翼和小翼结构参数优化。用流固耦合的方法对翼根弦长、翼梢弦长、翼展长、机翼后掠角、小翼翼梢长、小翼高、小翼后掠角、小翼厚和小翼脚长9个结构参数在不同组合下的升阻比和机翼变形量进行了模拟分析,结合多目标遗传算法和小翼稳定性分析进行结构参数寻优。由敏感性分析结果可知翼展长b、后掠角Λw、小翼高lv、小翼厚h是升阻比的主要影响因素,且b>Λw>h>lv。翼根弦长Cr、翼梢弦长Ct、翼展长和后掠角是变形量的主要影响因素,且Λw>Cr>b>Ct。模拟结果表明,升阻比与翼展长、小翼高和小翼厚呈线性负相关,与后掠角成非线性负相关,当后掠角为10～30°时,升阻比先减小后增大,当后掠角为30～60°时,升阻比逐渐减小;变形量与翼根弦长和翼梢弦长呈线性负相关、与翼展长近似呈线性正关系、与后掠角呈非线性正相关。由小翼的稳定性分析结果可知,小翼变形量与小翼脚长呈非线性负相关、与小翼翼梢长呈线性正相关;屈曲载荷与小翼翼梢长呈线性负相关、与小翼脚长呈分段式线性正相关。由多目标遗传算法和稳定性分析结果确定无人机的最优结构参数为:翼根弦长500mm、翼梢弦长300mm、翼展长1200mm、机翼后掠角28°、小翼翼梢长280mm、小翼后掠角56°、小翼高30mm、小翼厚6mm、小翼脚长200mm。（3）尾座式垂直起降无人机电机安装位置优化。由单一变量原则对电机的水平距离设计11个样本点,利用计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水平飞行状态下的升阻比和机身流场分布以及垂直起降状态下的力矩、变形量和流场分布进行仿真分析。由水平飞行状态下的模拟结果可知,随着电机水平距离d的增加两个螺旋桨间的扰流作用减弱,当d≥224mm时螺旋桨间的干扰作用消失;随着电机水平距离的增加,升阻比波动减小然后保持不变,当d=206mm时升阻比为最大值。由垂直悬停状态下的模拟结果可知,随电机水平距离的增加机翼前缘的扰流作用逐渐减小,当d>212mm时机翼表面流场分布均匀;随电机水平距离的增加,电机座变形量逐渐减小,当d=224mm时取得变形量的最小值。综合考虑升阻比、螺旋桨扰流和电机座变形量确定电机最优的安装参数为水平距离224mm,电机座高度为14mm。（4）尾座式垂直起降无人机过渡模式动力学模型研究。研究无人机在不同姿态下的电机拉力、升力、阻力、飞行速度和迎角的对应关系。由升力的数值模拟结果可知,同一迎角下随着速度的增加,升力近似呈二次函数增加趋势,升力系数基本保持不变;随着迎角的增加升力呈现先增加后减小的变化趋势,且迎角15°附近时升力为最大值。随着迎角的减小,阻力呈现先增大后减小的变化趋势,阻力系数呈现三次函数递减的变化趋势。随着迎角的减小,电机拉力呈现先增加后减小,然后再增加的变化趋势,迎角为80°时拉力为最大值,当迎角为10°时拉力为最小值。（5）尾座式垂直起降无人机水平飞行状态下续航时间模型研究。利用CFD对前述9个结构参数的130种不同组合下无人机的外流场进行数值模拟,计算无人机的气动系数和质量系数。通过方差分析法提取气动系数的特征因子为翼展长、后掠角、小翼厚度和小翼脚长,其中气动系数与翼展长呈线性正相关、与后掠角呈二次负相关,与小翼厚度和小翼脚长呈线性负相关;利用几何分析法提取质量系数的特征因子为翼根弦长、翼梢弦长和翼展长,质量系数与三者呈线性正相关。由提取的7个特征因子构建续航时间的多元回归模型,模型精度达0.97。从130种组合参数中选取并制作4架样机进行风洞试验,结果可知无人机的气动系数与仿真计算的气动系数误差在14%以内。从130种组合参数中选取并制作2架样机进行野外飞行试验,结果表明无人机实际续航时间与模型预测续航时间的相对误差在15%以内。（6）农业尾座式垂直起降无人机遥感系统应用测试。依据本文研究得出无人机的最优结构参数（翼根弦长500mm、翼梢弦长300mm、翼展长1200mm、机翼后掠角28°、小翼翼梢长280mm、小翼后掠角56°、小翼高30mm、小翼厚6mm和小翼脚长200mm）和最优的电机安装参数（水平距离为224mm和电机座高度为14mm）,进行无人机的样机制作并对无人机的姿态转换、飞行稳定性和续航性能进行飞行测试。结果表明无人机能够平稳实现过渡模式的姿态转换,且实际飞行过程中飞行速度和电机拉力的变化趋势与理论模型相近。无人机过渡模式高度波动范围为10m,俯仰角波动范围为10°,垂直起降和水平飞行过程中高度波动范围为2m,俯仰角波动范围为2°,均在可控范围内,表明本文研究的尾座式垂直起降无人机具有良好的飞行稳定性。由无人机的续航性能测试结果可知,续航时间达到30min,其中垂直起降阶段消耗总电量的20%,并且随着爬升高度的增加,消耗的电量逐渐增加。尾座式垂直起降无人机上搭载可见光相机进行地面农田和作物信息的采集。通过对采集图像的拼接处理,得到图像地面分辨率为2cm,且没有畸变,能够满足农情信息监测要求。