随着无人飞行器相关研究的快速发展,无人机应用领域不断拓宽。研究者们在四旋翼飞行器上搭载主动作业装置组成复合系统,极大的丰富了四旋翼飞行器可完成的作业种类,在抓取与搬运、高空检测、清理排爆等方面有着广阔的应用前景。本文设计了一种具有主动作业能力的四旋翼飞行器系统,该系统由四旋翼飞行器和作业装置两个子系统组成。四旋翼飞行器设计为X型可拆分结构,安装4个无刷电机,搭配两组12英寸正反螺旋桨提供动力。机上搭载开源飞行控制器Pixhawk和传感器模块。作业装置由3自由度机械臂和1自由度重心调节机构组成,对称安装于机体下方前部与后部,使用RX-28舵机作为关节驱动。机械臂末端安装手爪状执行器用于操作物体。机载无线数传模块和Zig Bee通信模块分别对四旋翼飞行器和作业装置进行控制。复合系统平台各部分根据强度需求的不同,使用碳纤维板和合成树脂加工制成,具有重量轻,强度大的优点。根据作业型四旋翼飞行器运动学、动力学建模,完成了复合系统的运动控制和作业控制设计。利用蒙特卡洛法分析机械臂的工作空间,并针对作业型空中机器人完成抓取、搬运等任务中所产生的重心偏移问题,设计了一种重心调节控制策略。该策略通过对作业装置中的机械臂进行运动学推导,动态计算出机械臂运动时复合系统重心位置的改变量,利用力矩平衡方程计算得到调节机构所需转动角度,从而实现对复合系统重心的调节。为验证复合系统设计的合理性以及重心调节控制策略的有效性,在MATLAB仿真环境中,首先对系统飞行控制进行了仿真;然后分别研究了有无重心调节控制下,机械臂运动对复合系统重心轨迹和定点悬停位姿的影响;最后通过户外实物实验测试了作业型四旋翼飞行器搭载负载情况下,重心调节策略在定点悬停作业时的稳定效果。实验结果表明,本文所设计的复合系统能够稳定跟踪飞行控制信号,跟踪平均绝对误差为x方向0.064m,y方向0.065m,z方向0.023m。在重心调节控制策略下,调节机构能实时调节复合系统重心的偏移,作业过程中各姿态角变化控制在±2.3°以内,各方向振动变化控制在±3m/s~2内。对比仅使用PID控制的情况,重心调节控制提高了位置控制精度,满足空中作业需求。实验验证了系统设计的合理性和控制策略的有效性。