微小型多旋翼无人机具有机械结构简单、机动性强、可垂直起降、无人员伤亡危险等优点。可广泛应用于气象勘测、航空摄影、灾后救援、智能交通、精细农业等领域。本文以设计一架用于气象勘测的微小型多旋翼无人机为目的,研究了无人机整体方案设计及其动力学建模与自主飞行控制系统设计。首先,针对应用于气象勘测的多旋翼无人机的具体设计要求,确定了多旋翼无人机的机体、嵌入式系统和飞行控制系统的整体设计方案。其中,机体设计主要从机体尺寸、负载能力、续航能力、可维护性几个角度进行了分析：嵌入式系统设计主要讨论了硬件选型和软件系统程序流程的设计。飞行控制系统方案主要确定各种飞行模式的实现方案和自主飞行控制系统回路划分。随后,对微小型四旋翼无人机进行数学建模和控制系统的设计。建模部分根据飞行原理和刚体的空间运动方程,并结合具体的无人机对象,建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型。自主飞行控制系统的设计被分为X方向位置、Y方向位置、高度、偏航角四个控制回路。并根据系统非线性特点和系统鲁棒性的控制要求,设计了反步法(Backstepping)和模型参考滑模控制器(Model Reference Sliding Mode Control, MRSMC).最后,为了验证控制系统的性能,对设计的控制器分别进行了室外飞行实验。实验结果表明,本文设计的控制器取得了良好的控制效果,完成了室外的自主飞行实验,符合气象勘测应用无人机的设计的基本要求,从而验证了本文机体设计和控制系统设计的可行性。