四旋翼无人机是一种近年来备受关注的可通过自主或远程控制完成飞行行为,无需驾驶员直接操纵的无人驾驶飞行器。多无人机协同自主编队飞行是近年来的一个前沿领域。它可以充分利用有限的单机资源,共同完成复杂的任务。避碰问题是无人机编队任务中需要解决的关键问题之一,是航空监督部门授权无人机进入通用空域的关键,也是集群无人机自主化过程中的关键环节。本课题的目的在于建立集群无人机自主协同控制优化理论与应用方法,为突破集群无人机智能自主协同控制发展的瓶颈、促进我国无人机集群化与智能化发展水平,提供科学理论支撑。首先,考虑集群无人机实际飞行过程中的避障需求,在建立面向控制的四旋翼无人机轨迹姿态模型基础上,为避免传统集群无人机为每架无人机规划轨迹的不足,提出了基于集群无人机中心点的轨迹设计策略,进一步,考虑避障约束,基于半定规划进行迭代的区域扩张,完成了集群无人机的安全飞行区域设计,确保了集群无人机在多约束环境下的避障飞行。其次,考虑四旋翼无人机飞行过程中模型参数不确定和外界干扰对姿态控制性能的影响,利用分布式位置控制器、姿态解算算法和基于干扰补偿的有限时间姿态控制器,在有限时间内实现对姿态指令的稳定跟踪。进一步,对提出的协同控制器的有效性进行数值仿真验证并与基于串级PID的姿态控制器,基于螺旋算法的滑模姿态控制器的跟踪精度进行对比分析,从而验证基于干扰补偿的有限时间姿态控制器在保证系统跟踪精度的前提下,具有强鲁棒性和抗干扰能力。最后,考虑集群无人机实际飞行过程中的避碰需求,提出了基于势函数和基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法,其中基于相对速度障碍的避碰方法通过实时计算避碰速度,只依赖邻机的位置和速度信息,可有效避免传统集群无人机为每架无人机规划轨迹的不足,集群无人机的避碰通过无人机期望速度的实时优化得到。而传统基于势函数的避碰方法与基于干扰补偿的有限时间姿态控制器结合,也可以消除势函数存在的一些固有限制。最后对协同控制器和避碰与避障算法的有效性进行综合数值仿真验证并进行对比分析。