近年来,随着微型旋翼无人机在日常生活中的广泛运用,人们对其飞行作业时的自主性与安全性提出了更高的要求。然而,微型旋翼无人机目前正处于可变权限自主控制阶段,离真正意义上的自主控制还有一定的差距,其中自动航迹规划与自主跟踪控制是实现无人机自主化的两个关键技术。本文详细阐述了基于微型四旋翼飞行器平台的航迹规划与航迹跟踪控制系统设计实现的全过程:从实际任务需求分析入手,提出系统设计的目标,接着对航迹规划与航迹跟踪控制算法进行了详细地分析并完成了航迹规划与跟踪控制器设计;然后搭建了微型四旋翼飞行器自主飞行控制实验平台,并在该平台上开发完成了航迹规划软件、自主航点跟踪飞行控制软件以及飞行器与地面航迹规划系统的数据通信链路设计与实现;最后通过自主避障飞行实验对本文中所设计的航迹规划与航迹跟踪系统进行实验验证。主要包含以下几个方面的工作:(1)根据微型旋翼无人机实际飞行环境,机动性能及任务需求,提出动态航迹规划的设计要求,把实际环境中的障碍物抽象成多面体和线形两种障碍模型约束,地形回避采用不规则三角网格模型约束以及用圆的外接正方形对飞行器间避撞进行约束。通过引入决策变量把上述约束统一到混合整数线性规划的框架下,采用滚动时域策略求解以燃油最省、距离最短为目标函数的多目标优化问题,实现动态航迹规划。然后将该优化问题描述为AMPL标准数学模型语言,运用数学求解软件CPLEX求解,并基于GoogleEarth进行规划任务获取。(2)从四旋翼飞行器的基本结构和原理分析入手,通过引入期望的俯仰和滚转角两个虚拟控制量,将欠驱动的航迹跟踪控制系统变成全驱动的控制系统,并采用内环姿态、外环位置的控制结构进行航迹跟踪控制器设计。根据实际飞行情况,对四旋翼飞行器数学模型进行合理简化,将姿态动力学模型解耦成线性化小扰动模型,并基于此模型设计了姿态PD控制器,将位置动力学模型控制量进行等价变换,实现控制量的解耦,基于有界控制理论设计了位置控制器。(3)为了对所设计的航迹规划与航迹跟踪控制系统可行性进行实验验证,搭建了基于微型四旋翼飞行器的综合系统实验平台。然后基于此平台完成了航迹规划软件和自主航点跟踪飞行控制软件的开发以及飞行器与地面航迹规划系统数据通信的设计与实现。(4)通过实际飞行控制实验对所设计的航迹规划和控制算法的可行性以及综合控制系统软硬件实验平台的有效性进行实验验证。主要进行了在已知实际环境障碍物数据条件下的动态航迹规划算法验证;微型四旋翼飞行器自主飞行控制性能测试;已知环境障碍数据条件下的自主避障飞行实验。