水空两栖无人机一般是指既具备常见无人机的空中飞行能力,同时也能在水中航行的一种无人机。它在空中可以起到监控、航拍的作用,在水中可以进行水底航拍,能够承担海洋的科研任务,同时其也可以起到检测桥梁和水下管道的作用。该无人机与市面上常规无人机相比,它拓宽了无人机的研究方向和应用范围,其具备的水中航行功能是其差异点也是其优势点。我国毗邻太平洋,拥有广阔的海域,为维护海洋权益而不断深入发展海洋高新技术;同时我国内陆也有着众多的江河湖泊,对内陆江河湖泊的开发利用和安全生产也尤为重要,比如利用水空两栖无人机结合救生艇可以达到快速救援的目的。因此研究水空两栖无人机具备重要的现实意义和经济价值。本文研究开发一种水空两栖四旋翼无人机,主要在无人机的结构设计和仿真控制等方面进行了深入的理论分析和实验研究,其具体研究工作如下:首先分析国内外水空两栖无人机的研究现状和关键技术问题,在此基础上给出了一种新的水空两栖四旋翼无人机的整体结构设计。然后进行螺旋桨翼型优化设计,通过ISIGHT设计平台,结合MATLAB软件、ICEM CFD软件和Fluent软件对翼型进行优化,利用CATIA进行建模导出实体,最终确定螺旋桨的设计尺寸。通过Solidworks软件进行无人机建模,完成浮力装置、机体和机臂的设计工作。利用Ansys Fluent软件对浮力装置进行分析并进行轮廓优化,降低浮力装置在水中的阻力。同时在设计过程中,对每个零部件的材料进行定义,确定无人机模型的总质量,最后完成该水空两栖四旋翼无人机结构模型在水下阻力的仿真计算,为后面的电机、电池等部件的选型奠定了基础。其次建立水空两栖四旋翼无人机的数学模型。通过分析无人机的飞行原理,确定水空两栖四旋翼无人机空中飞行、水面航行和水下潜行的工作模式,以及上述模式之间的相互转换方式。无人机坐标系的建立和坐标系间的转换矩阵可以确切地描述无人机的空间运动状态,利用牛顿-欧拉公式建立了水空两栖四旋翼无人机的动力学和运动学模型,得到力与力矩方程和导航与运动方程。最后给出忽略空气阻力的影响,得到无人机的简化数学模型。本章建立的水空两栖四旋翼无人机数学模型,为后面无人机的仿真研究奠定了基础。然后在完成机械结构设计和理论分析的基础上,对水空两栖四旋翼无人机的硬件单元进行选型设计。无人机的硬件系统设计可以将其分为三个单元,其分别为动力系统单元、主控单元和外部设备单元。根据设计要求及无人机续航时间对动力系统单元中的电机、电调、电源的选择及驱动模块的设计,本文所设计的水空两栖无人机其具备空中飞行、水面航行、水下潜行三种功能,对飞控的要求也更多偏向需自己手动调试且能够进行二次开发,因此选择开源飞控PIXHAWK,最后完成无人机外部设备单元中的遥控器及GPS选型并作基本介绍。最后分析无人机控制原理,通过水空两栖四旋翼无人机的数学建模完成其姿态控制器和位置控制器的设计,然后利用Simulink建立无人机的仿真模型进行仿真,通过给定指令让无人机到达指定地点,该仿真基本达到设计要求。利用Rfly Sim3D平台与硬件设计中的飞控和遥控器等建立半物理仿真平台,通过无人机进行机械结构设计时得到的质量参数、螺旋桨参数及硬件设计中电机、电调、电池等的质量参数与电压参数设计半物理仿真模型,通过遥控器操控无人机仿真模型,最后在3D Display软件中展现无人机的飞行姿态及实时姿态信息,而半实物仿真飞行实验更加贴近真实的飞行环境,其验证机械结构设计、硬件选型设计与控制系统方案的合理性和可行性,为最终水空两栖无人机的最优结构设计和硬件选型设计提供理论参考与支撑。