近年来,随着小型无人四轴飞行器在军民领域越来越广泛的运用,研究人员也从各个方面对其进行深入研究,而这些研究所共有的特点就是开发拥有更多自主权限的无人飞行控制系统。无人飞行控制系统的核心与难点是可靠的自主飞行控制器的设计与实现。本文以小型四轴飞行器为平台,提出了一种基于精确模型的自主飞行控制系统从设计到实现的开发思想:从四轴飞行器飞行原理入手,用机理建模方法推导出飞行器的数学模型,再将经典控制律代入到仿真模型中对系统中不确定参数进行预测辨识,根据所得到的精确数学模型利用反演控制算法对四轴飞行器进行核心控制器设计,并在仿真环境中对所设计控制器进行仿真飞行验证,逐步修改和优化达到系统要求,最后在实物飞行器上对控制器进行实物飞行验证。本文系统全面的介绍了小型无人飞行器领域国内外的研究现状,并根据对现阶段行业发展状况,提出了本文的主要研究方向和内容——通过系统建模和参数辨识设计相应的控制系统,并通过仿真实验和实物飞行验证控制系统。本文主要开展了以下几点研究工作:首先通过机理建模方法对四轴飞行器运动学模型和动力学模型进行了详尽推导并制定了飞行模态切换策略;再通过在低速模态得到实验证明的双回路PID反向推导系统模型参数使其更加贴近实际模型,再根据四轴飞行器非线性欠驱动多耦合的特点,选用反演控制算法对其进行自主飞行控制器设计并证明其在Lyapunov意义下的稳定性;之后在MATLAB/Simulink仿真环境下对自主飞行控制系统进行了姿态控制和轨迹跟踪控制仿真实验,验证了控制器的有效性;最后将所设计控制器运用到实物飞行器中,对其进行实验分析和低速模态的飞行验证,证明了所设计控制器的有效性。本文以在工程实践中得到成功运用的方法为指导,反推系统中的参变量,严格按照基于精确模型的开发思想进行飞行控制器设计和实验,设计并实现了以反演控制器为核心,分数阶PID为辅助的自主飞行控制系统。