近年来,随着相关传感器的微型化和控制技术的日趋成熟,微小型无人飞行器逐渐走入了公众的视野,而多旋翼飞行器由于其结构简单、控制灵活等优点更成为了人们关注和研究的热点。本文以多旋翼无人飞行器为研究对象,对自主飞行控制系统及其相关实际应用进行了设计和研究,主要工作如下:1.从多旋翼飞行器系统的工作原理出发,结合单个螺旋桨的气动性能分析建立飞行器系统在垂直方向上位置姿态的简化数学模型。同时按照模块化思想对多旋翼飞行器的硬件系统进行设计研究,并结合实际应用探讨了硬件系统的选型标准。2.设计开发一种通用型自主飞行控制系统。该自主飞控系统以市售商用级成品飞控为基础,通过飞控信号接入技术完成对飞行器的自主控制,从而将成品飞控的稳定性和可自主编程的灵活性巧妙地相结合,提高了成品飞控的可二次开发性。同时通过基于数字信号处理器的控制信号捕获与生成,完成对飞控信号的自动识别和校准,简化了自主飞控系统对成品飞控的前期匹配工作。3.针对飞行器低空飞行时地面效应对高度稳定控制带来的不可直接测量扰动,设计了一种基于自抗扰控制技术的高度控制系统。通过高度数据的采集、补偿、野值剔除和滤波,得到稳定可靠的高度信息,再通过实验测定的方法对被控对象的模型阶次进行辨识,为基于线性扩张状态观测器的扰动前馈补偿提供了必要的先验知识。之后选用自抗扰控制器对补偿后的标称模型进行高度控制,并通过仿真和实验验证了设计算法的有效性。4.在自主飞行控制系统的基础上,进一步研究了几类结合视觉导航系统的典型应用。通过八旋翼飞行器实物平台,完成了对地面静止和移动目标的低空定位与跟踪,并结合高度控制系统完成了对地面目标的空间定位,再配合机载的机械抓取机构即可完成对地面特定目标的自主识别和抓取码放等任务。