21世纪以来,北极环境变暖更为显著,海冰无论从分布范围还是总冰量上都明显减少。这无疑影响着北极地区的冰物质平衡,进而破坏正常的海洋环流模式,影响全球环境。海冰研究逐渐成为极地科学研究的重点。近年来,我国科研人员逐步在北极海冰上布放冰基浮标来获取定点的海冰环境数据,而这些传统设备无法大范围地对海冰参数进行监测。随着无人机技术在各行各业的应用与发展,在极地考察中利用无人机进行海冰环境监测也逐渐变的可能。本课题在科技部重点研发计划“极地观测、探测装备研发—北极海冰无人冰站”（项目编号2016YFC1400302）与山西省科技厅高新技术领域“海洋小型飞行器浮标装置研发”（项目编号201803D121007）的资助下,设计并研发一款应用于海冰监测的混合翼无人机,无人机可搭载温度、湿度、大气压力、光照强度和图像视觉等传感器开展极地海冰冰面与上层大气环境的数据监测。混合翼无人机按照是否需要倾转舵机分为两种类型,倾转旋翼无人机和不带有倾转舵机的混合翼无人机。本课题选用倾转旋翼无人机作为设计对象,为了实现混合翼无人机倾转功能以及海冰环境监测的能力。本文首先分析了混合翼无人机的任务剖面,将飞行任务分为两个重要模态和一个过渡环节。两个重要模态包括是四旋翼飞行模态和固定翼飞行模态,本文对这两个模态及其过渡过程（即倾转过渡过程）进行运动学和动力学建模。通过研究了混合翼无人机整体结构,本文确定混合翼无人机类型并进行硬件选型与实验。本文按照混合翼无人机各部分的动力需求对电机、电调、舵机等动力模块进行选型配置。同时对所选的动力配置进行了动力学模型中相关未知数参数的辨识测量实验,包括旋翼拉力系数测量、电机与舵机响应特性测量、转动惯量测量等测量实验。依据极地海冰环境监测能力的要求,本文对主控芯片、各类传感器进行了选型。并利用Altium Designer硬件PCB设计工具对所选的硬件芯片进行了电路设计,主要包括各种传感器的通讯接口（SPI、I2C、USART等接口）与主控芯片的连接电路设计以及各传感器芯片外围电路的设计。在此之外,本文为方便混合翼无人机内部电源舱的接线与连接,单独设计了一个分为三个电压等级的电源转接电路板。同时在主控制器内部设计了MIC5332电源分配电路,将3.3V供电划分为4个功能区,保证主控制器的各部分供电不受干扰。本文研究开源飞控APM软件的源码,通过对APM代码中硬件抽象层的编写与修改,完成了APM软件在所设计的硬件上的移植。针对混合翼无人机的特殊飞行模式结合本文的控制方案进行了相关程序编写。由于极地海冰环境监测的需求,在APM代码的驱动库中,添加并集成温度、湿度、大气压力、光照强度的GY-39环境观测模块和图传相机的驱动程序,并在应用程序层对极地海冰环境监测程序进行编写。在软硬件设计完成制作的基础上,对程序与硬件进行了可靠性测试。首先在软件上通过APM的SITL仿真功能,对程序的编译结果在预设的环境进行仿真,仿真结果验证了极地海冰环境监测相关软件可靠的运行,并对仿真记录的飞行日志数据分析,姿态角的变化在所设计的混合翼无人机波动要求范围内。最后,从基础功能、定点悬停功能逐步对混合翼无人机样机进行试验,最终完成无人机的飞行。验证了软硬件的可靠性。课题在全自动化的海冰监测上还存在一些不足,混合翼无人机需要操作人员进行遥控飞行。在本课题的研究期间,还针对小型四旋翼无人机设计了自动化无人机起降浮标平台,它依托于传统冰基浮标技术,为无人机提供一个自动化的收纳平台。在未来,混合翼无人机可以设计并兼容这类浮标平台,实现全自动化、大范围的海冰监测。