随着多旋翼无人机技术的快速发展,其应用场景越来越多,任务的复杂度越来越大,对自主能力提出了越来越高的要求。目前,受限于多旋翼无人机的续航能力,提高续航时间和多架无人机协同执行任务成为了一种趋势。此外,多旋翼无人机主要应用在低空复杂环境中,具备自主避障和在线航迹规划能力尤为重要。因此,本文围绕多旋翼无人机能量最优的航迹规划、在线自主避障的航迹规划和多无人机协同航迹规划展开研究。针对目前多旋翼无人机主要采用锂电池提供能量,建立了能量消耗模型。以能量最省为优化目标,研究在不同情况下的最优航迹。在一维运动情况下,应用极小值原理推导得到解析解的航迹。对于二维、三维运动情况下难以得到解析解,利用直接法得到数值解的航迹。根据以上得到的航迹,归纳总结出了根据实际任务快速简便的飞行策略。针对人工势场法在障碍物环境中进行航迹规划容易陷入局部极小值的问题,利用旋转矢量的方法,避免人工势场法的局部极小值问题。针对在未知环境中出现预先未知障碍物的问题,提出了一种新的自主避障策略,确保无人机可以成功避开障碍物并且回到预先规划的航迹上。针对多无人机协同航迹规划问题,首先利用最优控制的方法建立了多无人机协同航迹规划模型,并且采用直接配点法对其进行离散化处理,使其转化为非线性非凸的参数优化问题。然后,对于非线性非凸的参数优化问题,利用序列凸优化的方法,进行优化求解。分别针对多无人机在障碍物环境中协同飞行、编队集结以及队形变换的情景进行了航迹规划。最后,采用四旋翼无人机六自由度动力学模型,利用PID方法分别设计了姿态环控制器和位置环控制器,并在MATLAB中进行仿真实验,仿真结果验证了仿真模型的正确性和多无人机规划航迹的有效性。