扑翼飞行器是一种仿生类飞行机器人,具有体积大、质量轻、功耗低、飞行效率高、抗干扰性强等特点,同时还具有良好的灵活性和飞行机动性,在军事领域、民用领域和其他科技领域都具有广阔的发展前景。因此,对扑翼飞行器的飞行设计及相关理论开展研究具有重要意义。本文在已经完成制作好的扑翼飞行器的基础上,开展相应的导航控制实验研究,设计一套半自主循迹飞行控制算法并研制嵌入式飞行控制器,并进行了相应的仿真和实验,主要内容如下:(1)深入分析扑翼飞行器的结构特点并对比鸟类飞行原理,基于创建的扑翼飞行器的坐标系系统,建立扑翼飞行器动力学模型并分析推导其运动学方程;进行仿真分析,得出飞行参数规律;进行整机动力学分析,分析翅翼和尾翼产生的力矩对飞行控制的影响。(2)基于PID控制原理对扑翼飞行器半自主导航控制算法进行设计,分为直飞定高控制律、协调拐弯控制律、航向控制律和半自主循迹飞行控制律,并进行Matlab-Simulink仿真实验,最后对控制算法的合理性和准确性进行验证。(3)为了实现扑翼飞行器的半自主循迹飞行,搭建扑翼飞行器的STM32嵌入式控制器硬件平台,基于功能分析设计总体框架,制定通讯方式,选取硬件平台的微控制器和传感器,微控制器选取为STM32F103RCT6,外设传感器包括十轴传感器和GPS加北斗双模定位模块,其中十轴传感器高度集成了加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计,可采集到三轴欧拉角包括俯仰角、偏航角、滚转角和高度,GPS定位模块可采集经纬度等位置信息,驱动模块包括电机驱动器、无刷电机和舵机,供电模块包括单片机和电机供电电池。(4)进行了嵌入式的软件设计,设计了程序流程图,进行硬件和外设初始化,传感器采集数据并进行数据处理,进行PID控制解算和更新PWM占空比控制量。最后进行了样机集成和控制器安装方式以及传感器坐标位置的设计,对传感器采集数据进行测试实验,进行室外试飞试验,从直飞、拐弯到最后的循迹飞行都给予了改进和优化,最终实现半自主定点循迹导航飞行。图64幅,表7个,参考文献64篇。