四旋翼无人机具有结构简单,垂直起降,机动性强的优点并广泛应用于物资运输、农业辅助、环境勘测等方面,其中涉及到的吊挂负载的问题逐渐引起了关注。由于飞行环境复杂,无人机在飞行控制中需要考虑负载的摆动,障碍物的阻挡以及多种物理约束,利用航迹规划得出的优化轨迹不仅要保证无人机飞行平稳,还要尽量减小负载的摆动。同时需要设计位置跟踪控制器保证四旋翼无人机稳定跟踪优化航迹。本文详细阐述了关于带吊挂负载四旋翼无人机的自主规划与控制的研究开发过程,具体包括了以下几方面的内容:针对四旋翼无人机携带吊挂负载的航迹规划问题,利用拉格朗日方程建立四旋翼无人机与负载系统的综合模型。根据实际飞行环境、性能约束以及任务需求,基于预测控制设计了以路线最短、躲避障碍物以及减小负载的摆动为性能指标的代价函数,实现了四旋翼无人机的空间位置实时规划。考虑具体飞行环境进行设计:在城市环境中,采用Cubic曲线生成一条沿街道方向的航迹;在郊外环境中,采用Dubins路径的方法生成多航点的避障光滑航迹。通过仿真验证了航迹规划方法的有效性,保证四旋翼无人机平稳到达目标点且飞行中负载摆动最小。基于四旋翼飞行器的基本结构和控制原理,对吊挂负载下四旋翼无人机进行位置控制器设计,设计中采用内环姿态、外环位置的分级控制结构。基于牛顿欧拉法建立了四旋翼无人机动力学模型,利用PID控制原理,设计了角速度内环、角度外环的姿态控制器。位置环采用单级PID,通过对无人机模型的分析将位置环输出转成姿态环的期望输入。利用Matlab/Simulink搭建了四旋翼无人机与控制器模型,通过仿真结果验证了位置控制器的稳定性与跟踪性能。最后加入航迹规划层进行联合仿真,验证了航迹规划方法与位置控制器的有效性。为了实现航迹规划和位置追踪控制在工程中的应用,本文完成了四旋翼无人机实验平台设计与搭建。在硬件方面,实现了以STM32F407为主控核心的飞行控制主板的设计与实现并在此基础上完成硬件选型。对整体飞控系统各功能模块进行了程序设计和测试。最后进行硬件调试并完成了飞行实验,进而验证了航迹规划与位置控制方法具有实际应用价值。