目前,无人机的应用日益广泛,在民用和军用等领域的应用价值不断凸显。从飞行平台构型来看,无人机通常可分为固定翼无人机、无人直升机、旋翼无人机和扑翼飞行器。当前,固定翼无人机和旋翼无人机占据了无人机市场的大部分份额,但存在噪音大、续航短等局限性。而扑翼飞行器具有仿生性、静音、轻盈、飞行效率高等特点,在渗透侦察、机场驱鸟、珍惜鸟类保护等场景具有独特的优势。通过对昆虫及鸟类飞行原理的研究,本文设计了单段和双段两类扑翼飞行器。它们分别采用空间四连杆及双曲柄双摇杆的驱动结构,尾翼则采用常规式全联动尾翼,二者均已成功试飞并表现出优异的飞行性能。由于扑翼飞行器的气动特性和升力机理复杂,扑翼飞行器的自主飞行控制一直是个难题。本文设计并实现了扑翼飞行器自主控制系统:采用Pixhawk、GPS模块、Wi Fi模块等搭建了机载电子系统;在PX4飞控软件的基础上,设计了扑翼飞行器控制方法,实现了混控器、自主起飞、自主降落的设计;根据实际飞行效果,对飞行参数进行了迭代优化;通过QGC(QGround Control)地面站实现了对飞行器的状态监视及可视化控制。论文还介绍了QGC地面站软件的设计方法,并探讨了多飞行器组网方法。扑翼飞行器具有非定常、低雷诺数、强耦合、非线性的特点,在扑动过程中,机翼形变具有不确定性,因此,其动力学建模复杂。本文采用系统辨识方法建立了扑翼飞行器多输入多输出的动力学模型,通过最小二乘法优化预测状态值与真实值之间的误差,并将真实飞行数据进行低通滤波处理后用于模型训练。实验结果表明训练后模型可以根据系统输入相对准确地计算出飞行器当前的加速度、速度、角速度、角度等状态量。扑翼飞行器自主控制的核心是姿态控制和位置控制。本文采用串级PID算法控制飞行器姿态,并详细介绍了串级PID的控制原理及代码实现方法;在位置控制方面,本文采用了L1制导算法,它基于伪目标的思想,计算出距离目标点的L1距离,再根据几何关系计算出飞行器所需的向心力;论文详细介绍了飞行器跟踪直线、曲线、圆弧的方法及L1制导算法的实现。此外,本文通过建立的动力学模型,介绍了控制器参数的调优方法。大量飞行试验结果表明,本文设计的单段、双段扑翼飞行器取得了良好的飞行性能。飞控系统实现了自主起飞、自主降落、按规划航点飞行等功能,从而验证了串级PID算法及L1制导算法在姿态及位置控制上的有效性和稳定性。在稳定自主控制的基础上,通过协同航路规划,实现了3架飞行器的组网飞行及地面站可视化控制。