四旋翼飞行器是一种特殊的非固定翼飞行器,它通过控制四个旋翼的转速,实现垂直起降、定点悬停、旋转、侧飞、倒飞等功能。这种结构被广泛用以小型无人飞行器的设计,具有重要的实用价值。而四旋翼飞行器本身具有的强耦合性、非线性及其对外界干扰的敏感性,使得飞行器系统的控制设计变得复杂。四旋翼飞行器的姿态控制与位置控制存在直接耦合关系,提高飞行器姿态控制精度,有利于改善位置控制。因此本课题的研究着重于飞行器的姿态控制,主要包括飞行器模型建立、控制器设计仿真、半实物平台的实时控制及结果分析比较：(1)通过对飞行器关键受力与力矩的分析,建立了线性与非线性动态模型。基于飞行器悬停运动,将姿态运动简化为刚体绕定轴转动,建立了简单的线性模型。然而,该模型忽略了坐标系的相对运动,导致模型的不准确性。随后,通过对飞行器绕定点旋转运动的力矩分析,利用牛顿欧拉方程建立了非线性模型。(2)在了解并掌握飞行器动态模型的基础上,进行了控制器设计与仿真实验分析。针对系统的非线性模型,通过反向递推构造Lyapunov函数,设计了Backstepping控制器。应用滑模变结构原理,设计了滑模控制器,使系统的状态在设定滑模面上滑动。最后通过仿真实验,与基于系统线性模型的二次型调节器进行了综合比较分析。(3)在仿真实验的基础上,根据实验结果综合比较,选择Backstepping控制律,实现了对飞行器半实物平台的实时控制,并结合LQR控制律的特点设计了Integral Backstepping控制器。实际实验证明,使用Integral Backstepping控制器既能有效地减少各通道的超调量、限制振荡,又能弥补Backstepping控制器存在静态误差的缺点,准确地跟踪目标角度,使飞行器表现出更好的动态性能。