本论文以南京航空航天大学与中国直升机设计研究所合作研制的U8无人直升机为背景,研究无人直升机建模与自主飞行控制的关键技术。由于直升机的高阶、不稳定、非线性、强耦合和高不确定性特点,建立较为准确的直升机动力学模型具有相当大的难度。论文根据三种直升机模型:相对简单的动量模型、相对复杂的叶素模型和FLIGHTLAB模型,提出了直升机综合建模的思想,并将三种模型构成的直升机综合模型应用于无人直升机项目研制的过程中。通过三个模型的对比验证,以及与实际试飞数据的比较修正,得到高置信度的无人直升机飞行控制系统设计与仿真需求的对象模型,论文根据修正后U8无人直升机的叶素线性模型,进行特性分析。论文研究了带逆模型前馈的显模型跟踪控制和H_∞回路成形控制方法,并结合两者的优点,提出了一种改进的显模型跟踪回路成形控制方法。论文基于改进的显模型跟踪回路成形控制方法设计了无人直升机的内回路姿态控制系统,进行了时域、频域和鲁棒性分析,并与经典PID控制方法、显模型跟踪,以及H_∞回路成形控制方法进行了比较。设计无人直升机内回路姿态控制,实现了各通道解耦后,论文设计了直升机的外回路航迹飞行控制和模态飞行控制系统,实现了无人直升机的自主起飞、着陆、悬停,以及协调转弯飞行控制。为全面验证飞行控制系统的正确性,以及飞行控制逻辑与飞行管理的合理性,论文设计了由四个航路点构成的样例航路,并实现了无人直升机样例航路的自主飞行控制,仿真了样例航路的自主飞行过程。通过U8无人直升机的对象不确定性和风干扰情况下的航路飞行仿真,验证了飞行控制系统的鲁棒性。根据U8无人直升机用小功率活塞式发动机的功率特性与动力学特性,给出了完整的发动机建模、转速控制与仿真系统,并根据样例发动机开车过程中的冲速特性,提出了基于“折线法”转速指令的冲速段控制策略,并通过仿真与开车试验,验证发动机转速控制系统的正确性。本论文通过U8无人直升机的建模、半物理仿真,以及科研试飞,使本文的建模与控制技术得到了工程应用与验证。