当今，由于在民用及国防等诸多领域中的广泛应用，空中机器人技术已经越来越被人们所重视，并吸引了各国专家学者的注意。而基于模型直升机开发出来的小型旋翼空中机器人更是在近几年中得到迅速发展，并依靠其较高的灵活机动性，在各个领域展现出其独特优势。本文是在实验室已有无人直升机研究基础上，进行延续性设计和开拓性的应用。以雷虎90型模型机为平台，实验室设计了一套基于ARM7为控制核心的硬件平台，该平台的传感器数据采集和INS/GPS数据滤波功能已经实现。本文在此基础上，移植了一套经过实验验证的双闭环PID控制算法。然后调试与试飞整个系统，并完善控制器和调整控制参数，以达到理想的跟踪效果。在完成控制器调试后，依次实现了悬停、转向、定点飞行、圆弧飞行等一系列独立的飞行过程和对应的参数调试。在此基础上，按照距离最优和时间最优的原则，以扩展3D-Dubins模型，设计并实现了多个目标点巡航的轨迹规划和飞行调度。最优轨迹规划和飞行调度是本文研究的核心，最优轨迹规划是以3D-Dubins模型为飞行模型，计算空间任意两目标点间的最短飞行路径，然后在此路径上，进行约束条件下的速度调度，使无人直升机能在最短时间完成该路径的飞行。飞行调度是管理地面目标指令，调度相邻等待目标点，完成最优规划功能，使整个飞行过程按照预定的方式进行。