充分的环境感知和准确的状态估计是多旋翼飞行器智能化应用的前提,但在无全球卫星导航系统(GPS)信号的环境下,多旋翼飞行器的导航定位以及对环境的建图仍存在困难。为此,本文设计了一型可在无GPS环境下,基于激光雷达(LiDAR)与惯性导航系统(INS)实现导航与建图功能的多旋翼飞行器系统,并针对三维点云的配准方法进行了研究。论文的主要工作内容和贡献如下:(1)在工程实践上,按任务驱动的流程,综合考虑性能、成本等因素,设计并搭建了一型硬件平台。(2)在算法原理上,由于经典点云配准方法在实时性以及面对稀疏点云时的鲁棒性上存在不足,本文采用了一型二维环境下利用区域高斯过程地图重构的即时定位与建图算法(GP-SLAM)中的方法。为了解决将该方法拓展至三维空间时遇到的困难,本文改变了数据关联方式,缓解了子区域预测方向判断错误带来的精度损失,并且显著加快了收敛速度,同时,分析降低了算法数个模块的复杂度,从而实现了三维空间下实时、准确的位姿估计和地图构建。(3)在软件架构上,为了应对平台高动态的运动特性和退化场景,算法利用INS和气压计信息辅助点云配准。为了同时保证位姿估计的实时性和地图的精度,设计了一型高低频的双线程架构。其中,高频线程负责低延迟的位姿输出和点云的初步配准,低频线程则注重提升地图的质量和位姿的进一步微调。(4)在实验测试上,进行了共7个实验,对二维、三维GP-SLAM算法和所搭建系统进行了充分的验证。其中包括了二维算法验证实验、三维算法验证实验以及所搭建系统的测试实验。实验表明,本文算法适用与不同硬件配置,可以在结构与非结构、室内外、大规模等多种场景下工作,并且可实时、机载地处理数据,累积漂移控制在1%以内。