随着机器人技术以及各类传感器的发展,小型化的四旋翼无人机获得了国内外的广泛关注,其飞行场景逐渐从室外迁移至室内环境中。由于室内环境狭小且复杂,使得无人机的体积和载荷受到很大限制,并且在室内难以获取GPS信号,无法使用GPS系统对四旋翼无人机进行定位,因此四旋翼无人机的室内导航技术成为当下研究热点。基于此,本文搭建了一套室内四旋翼无人机平台,并设计实现了一种基于激光雷达的室内导航及避障系统,利用该系统使得四旋翼无人机平台能够在室内进行自主飞行。本文主要研究内容如下:首先,针对室内应用场景,设计并搭建了一套四旋翼无人机飞行平台,分别对软硬件构成进行了介绍,以机载计算机为核心,将飞行控制器、室内导航系统以及地面控制站进行串联,并建立了各个系统之间的通信。其次,对四旋翼无人机运动状态进行了描述,建立了动力学模型,并根据动力学模型搭建了四旋翼无人机仿真模型。利用该模型对四旋翼无人机姿态和位置的解算与控制进行了详细的分析研究,对其所采用的串级PID控制算法进行了仿真,验证了算法的有效性。接着,通过ROS操作系统建立了四旋翼无人机外部控制系统,使用机载计算机对四旋翼无人机进行外部控制,利用Gazebo仿真器对设定的不同飞行模式进行了仿真,并在室外环境中,利用真机进行了飞行测试,证明了外部控制系统能够对四旋翼无人机进行有效的控制。随后,分别研究了两种室内激光SLAM算法的原理,通过对其建图效果的对比分析,利用效果较好的Cartographer SLAM算法,在缺乏GPS信号的情况下对四旋翼无人机进行了室内位置估计。之后对四旋翼无人机室内避障算法进行了研究,并利用MATLAB对其进行了仿真验,验证了其可行性。最后,利用四旋翼无人机进行了室内导航系统的真机飞行实验,并在Gazebo仿真环境中验证了避障系统的有效性,证明了本文所设计的四旋翼无人机飞行平台具备在室内无GPS信号环境中进行飞行的能力。