近些年来,四旋翼无人机技术发展迅速。四旋翼无人机能够进行垂直起降,定点悬停,并且能够进行前后、左右、上下、偏航飞行,具有较好的灵活性,操控简单,同时其尺寸可以做的很小,能够在受限空间中作业。因此,四旋翼无人机受到了越来越多的重视并已经非常广泛地应用于军事,航拍,地理勘测等领域。但由于四旋翼无人机系统属于典型的欠驱动系统,且容易受到外界不确定因素的干扰,这使得对于四旋翼无人机的研究充满挑战性。本文通过介绍四旋翼无人机的发展背景和研究意义,以及国内外一些研究机构对于四旋翼无人机的研究现状,来分析目前四旋翼无人机研究领域的研究方向以及存在的挑战,并以此为基础,开展四旋翼无人机动力学建模,飞行控制器设计,以及飞行轨迹规划方面的研究,并使无人机能够精准跟踪复杂轨迹并安全穿越一个具有一定倾角,狭窄的窗口。本文以微型四旋翼无人机为研究平台,分析四旋翼无人机的结构特点和飞行原理,结合牛顿-欧拉公式建立四旋翼无人机的数学模型。针对数学模型精度的高低会对控制器控制效果产生影响的问题,本文在传统四旋翼无人机数学模型的基础上,研究空气动力学对于无人机的影响并建立四旋翼无人机空气动力学扰动模型,通过实验识别模型参数,将其引入四旋翼无人机的传统数学模型中,从而建立其更加精确的四旋翼无人机数学模型。针对四旋翼无人机飞行控制器方面,本文研究串级PID控制器和基于微分平坦算法的控制器,并在基于微分平坦理论的控制器设计中进行空气动力学补偿,在MATLAB/Simulink仿真环境下对这两种控制器进行仿真,对比分析两种控制器的控制效果。针对复杂轨迹规划问题,本文采用微分平坦算法的性质对四旋翼无人机飞行轨迹进行规划,使用最小加加加速度(Snap)轨迹规划方法生成一条能够使无人机穿越具有一定倾角且狭窄窗口的平滑轨迹,结合基于微分平坦的控制器,分别在仿真环境和实验环境中对飞行控制效果进行验证和分析。