四旋翼无人机结构简单、成本低、具有良好的灵活和机动性,已广泛应用于军事侦察、空中航拍和农业植保等领域。为了满足无人机在复杂环境下紧急规避,以及特殊任务对无人机飞行状态的苛刻约束,因此无人机需要具备大机动飞行能力。轨迹规划和轨迹跟踪是无人机自主飞行两个关键的方面,轨迹规划是提高无人机自主飞行品质的重要技术之一,能够有效提高在执行复杂任务时的成功率。由于四旋翼无人机是欠驱动,强耦合和非线性的一类系统,因此在大机动飞行的过程中要求控制系统具有非线性控制能力。本文研究四旋翼无人机大机动飞行轨迹设计和控制方法,具有实际应用价值和理论意义。首先是分析四旋翼无人机的结构和工作原理,根据运动学和动力学方程推导并得到了四旋翼无人机的数学模型,从而为后续章节的仿真系统提供基础。然后,研究基于微分平坦的轨迹规划方法。从微分平坦的概念出发,证明了四旋翼无人机具有微分平坦属性。在确定平坦输出的基础上,通过选定多项式函数将其参数化,从而将最优控制问题转化为非线性规划问题。设计一条迂回机动轨迹并通过二次规划算法对该非线性规划问题进行求解,可以得到满足无人机动力学约束的参考轨迹。为满足无人机在机动飞行时具有非线性控制能力,研究几何非线性轨迹跟踪控制方法,在位置控制飞行模式下实现该轨迹的跟踪控制。通过搭建的仿真系统对参考轨迹生成算法和轨迹跟踪控制器性能进行了仿真验证。为了进一步提高四旋翼无人机在大机动飞行时的跟踪精度,研究基于迭代学习的跟踪控制方法。本文对开环PD型学习算法进行了研究。由于开环PD型学习算法中的学习增益矩阵对控制律的影响较大,而且为了减少迭代次数以及提高学习算法的收敛速度,研究基于卡尔曼滤波的最优型学习算法。并通过仿真验证了两种算法的有效性。最后,搭建四旋翼无人机机动飞行实验平台,并设计实验方案。将设计的迂回机动轨迹和几何非线性轨迹跟踪控制方法在四旋翼无人机平台上进行实验验证。