在当今世界中,无论军事领域或是民用领域,无人机的应用都已经成为热门的研究对象。面对多样性的任务和复杂的环境单一的无人机通常无法满足需求,而多无人机依靠有效的协同策略以及无人机自身不同的功能,可有效解决无人作战、目标搜索、通信中继等许多棘手的问题。多无人机的协同编队是任务执行中的重要一环,本文以四旋翼无人机为研究对象,对多四旋翼无人机在协同编队中的几个热点内容进行了设计和实现。首先针对编队队形的保持问题,采用分布式的信息交换策略,将领航-跟随法的队形控制方式融入信息一致性理论,以图论为工具描述通信拓扑结构,设计分布式一致性队形控制算法,使编队无人机在飞行过程中保持状态的一致。而在队形变换的问题中,将KM算法扩展到编队无人机的路径规划中,运用任务分配的思维,寻找队形变换的最佳飞行路径,以此减少整个编队系统的飞行距离,从而有效减少了队形变换过程中所需要的时间,并且降低了飞行能耗,有较高的实际应用意义。其次设计协同编队避障算法,在编队飞行的过程中,无人机有可能发生机间碰撞或者与空域障碍物的碰撞,因此需要行之有效的避障算法去解决这些问题。本文中应用一致性理论与人工势场法联合设计避障算法。传统的人工势场法容易出现陷入局部最小值造成目标不可达的情况,因此本文对传统方法进行改进,通过对势场函数进行分段以及将回环力加入到合力的计算中的方式解决问题。在避障算法中将改进的人工势场函数得到的输出用作期望状态值,使其调整系统输入,校正状态误差,最终编队在成功避障的前提下达到状态的一致。最后搭建软件在环仿真环境,在模拟三维环境中系统验证所提算法的有效性。其中,构建了以ROS机器人操作系统为分布式通信载体,以PX4为无人机飞行控制和以Gazebo为三维模拟仿真器的仿真平台。在该平台下,解决了三维仿真中所面临的无人机定位与障碍物识别问题,使用VIO与GPS数据融合的方式解决无人机在特殊情况下定位不准的情况,应用Yolo V4算法兼顾了障碍物识别的速度与精度,为后期在嵌入式平台上实现打下基础。在三维环境中使用Python代码编写ROS节点,对整个编队系统进行了实现,并采集数据使用MATLAB工具进行直观的飞行轨迹展示,表明了整个系统以及所设计算法的正确与有效。