小型水上无人机是利用湖、河等平静水面作为起飞降落场地的一种水面特种飞行器,它具有机动性、可达性好、安全性高等显著特点。伴随着现代航空动力、制造材料、电子科技等航空技术的快速发展,使得水上无人机性能指标得到很大的提高。因此,相对于传统水质采样手段来说,采用无人机技术能提供更多的便利和优势,使其在环境监测领域有一定的应用发展空间。在实践水质采样过程中要求无人机载体具有平稳的姿态,才能完成相应的作业任务。针对这个问题,采用了捷联惯性导航系统(SINS)技术对载体姿态信息进行获取,利用SINS进行载体姿态测量也是国内外研究的热点之一。本文是在学习和分析了国内外对水上无人机研究现状的基础上,以及国内淡水资源污染严重的情况下,提出了一种基于水质采样的无人水上飞机的飞控系统的研究方案。首先,详细介绍了SINS系统的理论,包括坐标系的定义、相互间的转换和SINS系统的工作原理;然后,阐述了三种姿态修正更新算法——Euler Angle法、四元数法、方向余弦法,并进行了算法对比分析,接着深入研究了对基于四元数的姿态更新算法;最后,根据无人机工程应用经验,在硬件结构上采用模块化思想布局,主要完成了以下几个部分功能:ARM+DSP双核处理器、BDS/GPS双系统导航、水质采集、MIMU惯性测姿、测高气压计、电机驱动系统(伺服机构)、TFT-LCD液晶显示等。在系统软件结构上,对各个底层模块进行驱动设计测试。首先,利用设计的硬件电路对BDS/GPS双系统导航、MIMU惯性单元、气压计等模块进行应用测试;然后,叙述了MPU9250、MAG3110、MS5611-01BA03采集到的静态导航数据,并通过Matlab描绘出相关的静态误差曲线图;其次,运用了TFT-LCD液晶显示器对载体的姿态角、芯片温度及高度等信息进行实时显示;最后,分析了独立陀螺仪和组合传感器测量姿态角的两种方案,实验仿真结果表明组合数据融合明显精度更高,更符合实际应用。对水上无人机的控制率进行研究。首先,分析了小型水上无人机着水过程及每个阶段的飞行控制指令,阐述具体水质采样流程;然后,针对水上无人机的飞行特点,又重点研究了增量型PID控制算法,通过PID控制器设计了实时、稳定的控制回路系统;最后,运用小扰动解耦原理将方程线性化,并且使用Matlab/Simulink对小型水上无人机的纵向控制律进行仿真研究。仿真图结果表明该控制器设计的合理与可靠性,具有较大工程价值和理论意义。