得益于微电子、通讯以及能源等技术领域的成就,飞行机器人的研究正广受关注并快速发展。其中,处于飞鸟类体积大小的微小型四旋翼飞行机器人由于其动力学性能优良,备受国内外学者关注。相对于传统飞行器,此类飞行机器人无需驾驶人员,通常也被称为四旋翼无人机。近年来,基于地面人员实时遥操作的微小型四旋翼无人机已在航拍、救援以及军事侦察等领域发挥着越来越重要的作用,未来还有望实现准确的工业检测与自主式作业。在此背景下,开发全自主四旋翼无人机及其相应的高性能、高精度飞行控制系统是工业界和学术界共同关心的课题。虽然一个完备的自主飞行控制系统应当具备与自然生物系统相对应的各类特性或功能,但其中一个基本而重要的需求是要使飞行器的状态在实时飞行中完全可控。对于四旋翼无人机而言,要满足此诉求至少存在两方面的挑战。一方面,四旋翼无人机本质上是一个高度欠驱动的系统,传统的光滑静态反馈技术无法适用,而必须同时为其配置以任务为导向、且与系统动力学相容的高效状态轨迹生成与追踪策略。另一方面,与大型飞行器不同,微小型四旋翼无人机驱动能力低,不具备硬件冗余,使用过程中易出现结构性蠕变或断裂。因此,在实际飞行时,四旋翼无人机的性能与控制精度极易受各种内外部干扰的影响。针对上述挑战,本学位论文致力于为四旋翼无人机设计能有效抵抗内外部干扰以及局部结构失效的高性能轨迹生成与追踪方法,并按全驱动抗扰控制-欠驱动轨迹生成与追踪-多点轨迹生成与追踪的思路展开如下研究。首先,建立飞行器的刚体动力学模型,并基于动力学特性搭建轨迹规划-轨迹追踪-姿态追踪的级联式自主飞行控制系统。在此基础上,设计基于干扰观测的反演控制器提升轨迹追踪控制器的抗干扰与追踪性能。然后,提出基于最优时间控制原理的输入信号平滑方法,有效抑止过冲与振荡,提升飞行器在不同的参考输入下的轨迹追踪速度。在采用上述方法实现全驱动子空间轨迹高效追踪的基础上,利用飞行器微分平坦性质,生成状态到状态间的最优轨迹,并采用子空间稳定法进行追踪,从而扩展飞行器在欠驱动情形下的轨迹追踪性能。最后,以最速飞行为目标,提出基于非均匀有理样条的多航点轨迹快速生成算法,提升多航点情形下轨迹规划效率与性能。本文研究工作与创新性成果如下:1.提出基于干扰观测与反演算法的轨迹追踪控制策略。建立完备的四旋翼无人机刚体动力学模型,通过实验方法辨识系统模型的主要参数。在此基础上,设计基于干扰观测的反演控制算法,显著提升四旋翼无人机在全驱动空间内轨迹追踪的性能。实验结果表明,采用所提出的控制策略可使飞行器承受大负载变化,旋翼失效以及外部横风干扰,且稳态控制误差小于0.02米。2.发展了基于姿态内环模型及微分追踪的自抗扰控制方法。利用微分追踪器对参考输入信号有效平滑,利用基于模型的扩张观测器进一步提升系统状态观测的准确性。进而实现增加控制增益以提升追踪速度并抑止过冲与振荡。实验结果表明,引入基于模型的自抗扰控制算法,可保证稳态追踪误差小于0.02米的同时,更稳定地追踪不同类型参考输入(如斜坡输入、正弦输入),进一步提升四旋翼无人机在全驱动空间内轨迹追踪的性能。3.提出欠驱动情形下的两状态间轨迹快速生成与追踪方法。利用四旋翼无人机动力学特性所具有的微分平坦性质,以简洁的解析形式呈现其在欠驱动非线性情形下的动力学特性。以最小跃度为性能指标函数,快速生成从状态到状态的与系统动力学相容的参考状态轨迹。然后,采用子空间稳定法,实现对目标轨迹高精度追踪以建立目标终点状态。将此状态追踪系统应用于颠球实验,可使飞行器在配置一个直径0.13米,且有效击球直径为0.06米的球拍时,能达到平均每回合约3-4次、最高14次击球的良好实验效果。4.提出基于线性规划的多航点间最速轨迹规划方法。基于非均匀有理样条,提出了根据目标航点快速生成光滑航线的方法。基于最速飞行目标函数,在引入速度、加速度以及跃度的约束下,实现飞行轨迹的快速规划与插补。所生成的轨迹加速度光滑连续,保障飞行器在实时飞行过程中的平稳。飞行实验显示,采用本文所提出的方法,可保证飞行器平滑穿过具有圆环障碍的狭小室内环境。以速度约为1米/秒飞行时,可保证轨迹追踪误差小于0.05米。