四旋翼飞行器结构简单,成本低廉,机动性强,隐蔽性强,在军事侦查和民用领域有很好的应用发展前景。近些年随着技术的进步,四旋翼飞行器的软硬件技术得到了充分的发展,它在遥控航拍、包裹投递等领域大显身手,逐渐融入人们的日常生活中。可以预见在不久的将来,四旋翼飞行器将会在更多场合得到应用,面临的场景复杂度和任务难度也会逐渐增加,对四旋翼飞行器在复杂条件下的控制精度提出了更高的要求,对四旋翼自主控制的智能性提出了新的挑战。为了满足四旋翼飞行器未来的应用需求,解决其在自主飞行的过程中面对的高速穿越飞行控制问题,本文搭建了微型四旋翼实验平台,设计了目标识别和云台解耦算法,深入研究了四旋翼的位姿控制问题,设计算法实现了自主起降和高速穿越的飞行控制,并进行了仿真与实验验证。主要研究工作可以归纳为以下几个方面:首先,从四旋翼的飞行原理入手,分析了四旋翼飞行器的硬件系统构成。然后针对比赛任务要求,分析了四旋翼实验平台的硬件设计需求,确定了包含机载电脑、云台相机的实验平台硬件设计方案,完成了各个器件的选型与机体的设计和组装,为算法设计与实验验证奠定了基础。在此基础上,根据搭建完成的硬件平台进行软件功能划分,分别搭建了飞控、机载电脑和地面站的软件系统框架。其次,以搭建的实验平台为基础,建立了四旋翼的数学模型,通过线性化分析设计了四旋翼的位姿控制算法,为后续进行自主飞行控制算法设计提供了依据。之后设计了饱和度通道灰度变换和二值化处理的图像处理算法和基于霍夫圆形检测和多边形拟合方形检测的目标识别算法,实现了对圆环和方环目标准确快速的识别和测量。接着通过旋转矩阵关系设计了云台解耦控制算法,提高了图像获取的稳定性,通过公式推导得到了图像信息与空间相对位置的转换关系,实现了目标与四旋翼相对位置的测量。然后,针对四旋翼自主飞行任务的流程方案进行了可行性分析,确定了自主飞行的整体控制流程。在此基础上,对自主起降过程进行分解,设计了起降控制流程,并针对光流可用和不可用两种情况分别设计了位置-高度和速度-高度控制算法。接着对高速穿越过程进行了拆分,设计了穿越飞行控制流程,然后基于不同的出发点和设计思路,设计了基于位置伺服和基于比例导引律两种高速穿越控制算法,并对比分析了两种算法的特性和优缺点。为了保证飞行实验的安全,还设计了防止控制量和位置超限的安全防护算法。最后,搭建仿真环境对高速穿越飞行控制算法进行了仿真验证;仿真结果表明,两种高速穿越控制算法都能准确完成穿越控制,且在控制效果上各有优缺点。同时,对前面设计的各种算法在搭建的四旋翼实验平台上进行了编程实现,并设计实验对整个系统的功能和性能进行了实验验证;实验结果表明,系统能够准确识别目标并得到相对位置信息,四旋翼飞行器能够按照设计的控制流程实现自主起飞和降落控制,能够实现对于目标快速准确的穿越,充分验证了整个系统的硬件、软件和算法的有效性。