四旋翼无人飞行器是一种外型新颖、性能卓越的旋翼飞行器,具有巨大的军事和民用价值,引起了众多国内外科研人员的广泛关注。而四旋翼无人飞行器本身非线性、强耦合性以及对外界干扰敏感的特点,使得飞行器控制系统的设计具有很大难度。本文围绕四旋翼无人飞行器的动力学建模、控制方案设计和软硬件系统设计等方面开展了一系列研究工作。首先,在分析飞行器的构型以及飞行原理的基础上,对旋翼以及整个机体的空气动力和动力矩进行具体分析,详细推导并建立出较为完整的飞行器六自由度非线性数学模型,论证了飞行器运动的非线性、强耦合性特点。同时针对飞行器的小角度运动简化动力学模型,并通过实验测试和建立三维模型的方法得到模型中的未知参数,为下一步控制方案设计奠定基础。然后,基于建立的动力学模型和经典PID控制算法,设计飞行器的控制方案。由于飞行器模型中线运动受到角运动的影响,分别设计位置控制回路和姿态控制回路,有效解决了运动耦合问题。最后,在飞行控制方案的基础上,采用模块化设计思想将飞行器的软硬件系统划分为各个功能子模块,结合传感器的不同特性设计互补融合滤波算法解算出高精度姿态角。在飞行实验中,飞行器分别完成了轨迹跟踪和稳定悬停的自主飞行任务,验证了本文的动力学模型和控制方案的有效性。