四旋翼无人机因具有高机动性、结构轻便、低成本等优点,吸引了大批学者、科技公司、政府的关注,在许多研究人员、学者前赴后继的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛的应用于电力巡检、农业植保、灾后救援、物流运输、娱乐航拍、军事侦察等领域。无人机的自主飞行能力是其能否进一步扩展应用领域的关键,而性能卓越的路径规划方案和精准的轨迹跟踪能力又是其核心所在。因此,针对这两个问题,本文主要开展以下研究:首先,构建了无人机系统的非线性模型。针对X型结构的四旋翼无人机分析了其飞行控制原理,并建立了机体坐标系和地球固连坐标系。通过Newton-Euler定律,推导了无人机的位置运动方程和姿态运动方程。为了解决了四旋翼的欠驱动问题,引入了虚拟控制量。其次,为了获得高效安全的前端路径,研究了基于图搜索的算法。首先引入了JPS算法并对其做了详细的分析。为了将其推广应用于三维空间环境,对JPS算法的剪枝、跳跃规则进行了修改。经过仿真对比分析,证明了所提算法的有效性。接着,为了平滑优化前端路径,研究了基于Minimum Snap的轨迹优化算法。路径规划算法所规划出的路径并不具备动力学特性,不能直接用于四旋翼无人机的实际飞行,需要做平滑优化处理。分析了无人机在轨迹输出空间所满足的微分平坦性质,并以此为基础在多项式轨迹的优化中使用Minimum Snap算法对航迹片段添加约束保证飞行过程中位置、速度、加速度的连续性,再基于飞行走廊来保证安全性。通过二维空间和三维空间下的仿真验证了所设计方法良好的平滑优化性能。最后,引入了非线性扩张观测器,并以此为基础结合反演滑模控制设计了四旋翼无人机的轨迹跟踪控制器。四旋翼无人机系统被分为位置回路和姿态回路六个子系统。通过虚拟控制量反解俯仰、滚转通道的期望信号和实际控制量。为了让跟踪期望信号的过程更平稳,设计了跟踪微分器来平滑信号。实际情况中,无人机飞行时会受到内外扰动的影响,因此设计了非线性扩张状态观测器来补偿干扰,并通过李雅普诺夫方法证明了其稳定性。为了提升系统的鲁棒性和快速收敛能力,设计了反演滑模控制器。通过仿真分析,验证了所提方案的有效性。