无人直升机是一种独特的飞行器,可以垂直起降、超低空飞行、甚至稳定悬停在某一位置,这些特性是传统固定翼飞机所不具有的,因而在很多领域得到应用。但是对于无人直升机这样一个具有六自由度、非线性、强耦合性以及不确定性高的系统,实现其自主飞行是一个非常困难的任务,因此我们需要为无人直升机的自主飞行设计一个控制性能优异、鲁棒性强的飞行控制系统。本文主要研究的内容包括以下几个方面:首先,建立无人直升机模型是设计控制系统的基础。针对U8无人直升机,对其进行受力分析,建立无人直升机的小扰动运动方程,得到姿态通道的数学模型。其次,无人直升机自主飞行,姿态控制是关键。本文为提高无人直升机姿态控制的精确性、鲁棒性和稳定性,使用自抗扰控制(ADRC)技术。采用双闭环控制结构实现无人直升机自主飞行控制,内环采用自抗扰控制器控制无人直升机姿态,外环使用改进的非线性PID控制器,控制无人直升机的飞行位置。通过对自抗扰控制理论的研究,发现自抗扰控制技术对于耦合系统具有良好的解耦特性,能够将无人直升机俯仰、偏航、滚转和高度通道进行解耦。并通过数学转化的方式,灵活的选取状态变量将无人直升机姿态回路各个通道的高阶系统转化成各自独立的一类二阶系统。阐述了自抗扰控制器改变被控对象系统内部结构的方式,利用自抗扰控制器中的扩张状态观测器将无人直升机所有不确定和非线性的部分都视做一个总扰动去估计并补偿掉,打破了系统非线性和线性的界限。使用频域分析的方法,分析了自抗扰控制器对于不确定的系统的作用,引入系统带宽的概念简化自抗扰控制器参数的整定。并与传统的PID控制器控制效果做比较,证明自抗扰控制器在姿态控制上的良好性能。通过仿真验证了自抗扰控制器具有良好姿态增稳控制效果,抗干扰能力强、鲁棒性好。位置控制上,采用频域分析,同样说明本文所设计的双闭环控制系统有很好的控制性能,可以满足要求。最后,可以利用Matlab中的三维动画技术,建立无人直升机的三维模型与飞行所处的虚拟世界,把本文为无人直升机所设计的飞行控制系统与虚拟世界连接起来,构建出无人直升机自主起飞阶段的轨迹跟踪制导控制系统,使无人直升机看可以按照预先设定的轨迹进行自主起飞。整个飞行轨迹包括:先垂直起飞,而后开始平稳爬升,最后进入高度稳定的水平前飞状态,轨迹跟踪的性能也能够满足要求。三维动画技术可以直观的显示整个起飞过程,简化了系统中众多繁杂信息的观察、理解和分析的过程,起到了良好的控制系统设计辅助作用。