小型飞行器以其性能可靠,能够完成侦查、营救、视频监控、农业病虫害防治、地质勘探等复杂任务的优点在广阔的领域得到应用。其中最为常用的小型四轴飞行器特点明显,其机动灵活,具有造价低、体积小、使用方便等特点可以用来执行比较危险的任务。小型四轴飞行器在室内环境中的应用研究已被广泛关注,其主要集中在避障、导航等方面。其他科研机构更多的对四轴飞行器增加双目摄像头,激光测距仪,超频带,GPS等传感器进行四轴飞行器的导航、避障。本文的主要创新之处在于所研究的导航、避障,均挑战性的基于所开发的高性能OS/JVM软件平台的单目摄像头四轴飞行器之上。首先,为了使小型四轴飞行器具有最佳的实时图像处理能力及高稳定性,本文创新性的为其软件平台设计并实现嵌入式操作系统和JAVA虚拟机,二者联合优化形成高性能OS/JVM软件平台,旨在提高小型四轴飞行器的高性能实时处理能力；本文首先为小型四轴飞行器核心处理器设计了一款轻型嵌入式实时操作系统内核iDCX Ⅱ,从实时处理性能、网络性能方面对其进行了效果测试,并对其任务调度算法进行了改进,旨在减少任务的抢占开销,使其具有高实时、低延迟的特性。其次,并在小型四轴飞行器所运行的实时系统内核iDCX Ⅱ之上实现了精简版的JAVA虚拟机FijiVM,并重点设计了实时JAVA应用的任务执行机制与相应的类构造。后面的导航避障实验结果表明,所设计的嵌入式操作系统内核及实现的JAVA虚拟机联合优化而形成的高性能OS/JVM软件平台可很好的服务于实时JAVA图像处理程序,后续的算法实时性验证了其满足小型四轴飞行器摄像头所采集图像帧的实时处理需求。再次,本文实现了小型四轴飞行器的室内避障,利用光流原理,依次获得物体实际光流与由于小型四轴飞行器运动所产生的平移光流,提出了融合光流算法,以便识别出移动障碍物。实际的飞行结果显示,基于融合光流算法,小型四轴飞行器有效的实现了室内避障。随后,对所提出的融合光流算法的实时性与准确性进行了测试与对比分析。然后,本文实现了基于消失点算法的小型四轴飞行器室内自主导航,经过图像预处理、Canny边缘检测、随机Hough变换等,计算出采集图像帧内的所有信息直线的交点,并设计了基于聚类原理的消失点快速估计算法VPEE.本文对VPEE算法的实时性进行了测试,实验结果表明VPEE算法具有很好的实时性,可有效的应用于小型四轴飞行器的室内自主导航。最后,本文创新性的将图像熵技术应用于小型四轴飞行器的室内走廊避障,结合光流均衡算法,实现了静态障碍、墙壁等低纹理障碍的有效避障,并采用多变量RBF神经网络PID控制算法,应用于飞行器稳态控制中。并对多变量RBF神经网络PID控制算法控制下,小型四轴飞行器的俯仰角、偏航角、滚动角、水平垂直偏差等变量进行了试验测试与结果对比分析,实验结果表明,多变量RBF神经网络PID控制算法可以很好的应用于小型四轴飞行器的室内飞行控制。本文为小型四轴飞行器平台AVR嵌入式处理器单元设计了一款轻型嵌入式操作系统内核,以及JAVA虚拟机,联合优化确保实时.AVA应用程序在小型四轴飞行器OS/JVM软件平台上的高效稳定运行,以达到最优的、实时的、稳定的处理效果。此外,本文实现了基于图像熵算法结合光流均衡算法、融合光流算法、消失点快速估计算法的小型四轴飞行器室内避障、导航技术,以及多变量神经网络PID控制算法应用于小型四轴飞行器的稳态飞行控制。这些技术的实现为室内环境下小型四轴飞行器的自主飞行提供了强有力的技术支持。