近年来,无人机受到了广泛关注,其中四旋翼飞行器具有结构简单、机动性能强、可垂直起降和悬停等特点,在执行室内环境监视、侦查和救援任务中具有明显优势,成为无人机领域的研究热点。但目前广泛应用的全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)不适用于室内、隧道等环境,而运动捕捉系统只能用于实验室等特定场合,无法满足室内受限环境应用需求。因此本文针对发生化学或生物污染等不适宜人员进入的室内受限环境侦查需要,设计一个融合视觉、光流、惯性传感器等多种传感器信息的,具有室内自主侦查能力的四旋翼飞行器。首先分析了系统组成,将整个系统分为四旋翼飞行器机体、飞行控制系统、视觉导航系统、地面站系统和手持遥控器五部分。详细介绍了各部分的硬件组成,设计了基于机器人操作系统(Robot Operating System,ROS)的视觉导航系统和基于Nutt X系统的飞行控制系统软件方案。接着设计了飞行器控制系统的位姿控制器和姿态估计器。根据牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器的非线性模型,设计和仿真了四旋翼飞行器的串级PID位姿控制器,设计了基于互补滤波的姿态估计器。其次分析了视觉同时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)算法。介绍了摄像机模型和特征提取与匹配方法,并结合对极几何原理分析了相邻两帧图像恢复相机位姿的方法。在此基础上设计了基于特征点和关键帧构成地图并采用光束平差法优化的视觉里程计,分析了闭环检测方法以此实现完整的视觉SLAM功能。然后融合四旋翼飞行器机载的多种传感器数据设计导航算法。针对单目视觉尺度问题采用超声波传感器和最大似然估计计算单目尺度。针对串级PID位置控制对位置和速度信息的要求采用扩展卡尔曼算法融合视觉、惯性测量单元、气压计等多传感器信息。针对环境纹理缺少的情况同时运行视觉SLAM和光流算法保证飞行器正常飞行。针对导航地图需求实现半稠密地图和Octo Map创建。以及针对未知环境自主侦查需要设计步进式自主探索方法。最后在实际场景中对设计的四旋翼飞行器进行了测试。结果表明该飞行器能够实现未知室内环境自主导航功能,完成自主侦查任务。