近年来,越来越多的应用领域将无线传感器网络作为其主要的监测系统。在这些应用中,位置都是最基本的上下文信息。大量的定位算法已被提出用于解决节点定位问题,这些算法的定位精度依赖于锚节点的密度。而锚节点的成本远高于普通节点,若采用静态方式部署锚节点,无论是锚节点数量增多带来硬件与能耗的成本,还是锚节点部署的成本,都将急剧上升。为了解决这一问题,本文以具备高精度实时定位能力与自主飞行能力的无人飞行器作为移动锚节点,利用其六自由度运动能力在三维空间中投放大量的虚拟锚节点,有效解决锚节点的硬件成本与部署问题;在此基础上,本文提出了基于定向天线辐射特性的AOA定位方法,避免了射频信号非规则传播引起的测距误差影响,并解决了天线的辐射模型偏差和安装误差问题,有效提升了定位精度。本文的主要研究工作和创新点如下:(1)为了验证定位算法的有效性,本文开发了一套基于无人自主飞行器的无线传感器网络定位系统,该系统包括四旋翼无人自主飞行器和无线传感器节点两个部分。(2)针对现有的大部分四旋翼控制系统设计时未能考虑不确定性影响,本文将四旋翼飞行器动态模型的不确定性进行量化,并且针对四旋翼动力系统升力性能的理论计算十分复杂的问题,提出了一种多旋翼动力系统升力性能测试装置。应用此装置,降低了动力系统建模的难度。(3)根据(2)中不确定性的量化结果,使用定量反馈控制理论设计控制器。实验结果表明,本文所设计的四旋翼飞行器控制器控制精度高、抗干扰能力强。(4)在研究(1)、(2)、(3)的基础上,本文提出了一种基于无人自主飞行器的无线传感器网络AOA定位算法,该算法的原理是通过四旋翼飞行器带动定向天线在空中进行360°旋转,边旋转边广播数据包,得益于定向天线狭窄的垂直辐射特性,定向天线在旋转广播数据包的过程中,当定向天线最大辐射功率方向指向未知节点时,未知节点能够获取最大信号强度的数据包,根据此数据包的数据和定位算法未知节点能够完成自身位置计算。仿真和实验结果表明,相比于现有的基于无人自主飞行器的无线传感器网络定位算法,本算法能够降低射频信号非规则传播的影响,提高定位精度。