与四旋翼无人机相比,小型无人直升机具有续航持久、速度上限高、载荷大、抗风性强等特性,非常适合完成海上搜救、地形勘测等常规四旋翼不能胜任的特种任务。然而,在强扰动环境下,现有的小型无人直升机自主抗风飞行控制方案不能达到较好的实际控制效果;另一方面,现有的运动规划研究多集中在多旋翼无人机上,鲜有在小型无人直升机上成功应用案例,这些问题一定程度地阻碍了小型无人直升机的发展与应用。针对上述问题,文本对小型无人直升机的飞行控制与运动规划进行研究,重点研究了小型无人直升机的系统建模、控制器设计、运动规划方法,并于自主设计的小型无人直升机上完成了实际飞行与验证。主要研究内容如下:（1）根据课题需求自主设计并搭建一基于MCU、IMU、磁力计、GPS、气压计等多传感器的小型无人直升机飞行平台,建立了小型无人直升机的系统模型,分析了该系统的微分平坦特性,并给出了系统满足微分平坦的适用条件。（2）基于自主设计的小型无人直升机平台,设计完整的串极-前馈PID飞行控制框架,在所设计的控制框架中,针对直升机航向通道抗扰性不强的问题,提出一种基于线性扩张状态观测器的实时扰动观测与补偿算法;针对传统PID控制器无法对阶跃信号实现快速无超调跟踪的问题,设计了适用于小型无人直升机的跟踪微分器以优化闭环系统对阶跃信号的跟踪性能。（3）提出了一种改进RRT*算法用于路径搜索过程。针对传统RRT*算法存在路径收敛速度慢、路径上存在冗余节点等问题,提出了四种相应的改进方案,包括加入椭圆约束加快收敛速度、使用Kd-Tree缩短查询时间、优化碰撞检测算法以及删除路径上的冗余节点,并通过仿真实验证明了所提出改进算法的优势。（4）研究了两种最优轨迹规划算法:Dubins曲线与Minimum snap最优轨迹。通过推导Dubins曲线解析解,加快了Dubins曲线求解速度;在满足微分平坦条件下,给出Minimum snap最优轨迹的两种求解方法以及基于Minimum snap最优轨迹的时间分配与碰撞避免策略,最后对Dubins曲线与Minimum snap最优轨迹进行飞行实验与对比验证。在本文所提出的控制框架下,本文所设计的小型无人直升机达到了良好的控制响应与抗扰性能,具备了自主完成飞行任务的能力,在实际课题项目中得到了成功应用。