旋翼式无人机因可以垂直起降、低速飞行以及悬停，并能够依靠调节电机转速直接控制飞行速度，制造成本低，适应复杂气象和地理环境而备受人们青睐。但由于其有效载荷小，续航时间短及控制难度大等问题限制了它的应用范围。因而研究其高效可靠的控制系统使其适合减灾、救灾及战场的需要，具有迫切的现实意义。本文以四旋翼飞行器为研究对象，分析并建立了四旋翼飞行器控系统的数学模型，给出并研究了一种滑模变结构控制器，进而设计了一种续航能力相对较大、功耗低、鲁棒性强、调节时间短、飞行位置、姿态及高度可控且具有一定智能的四旋翼无人飞行器控制系统及其飞行模拟实验平台。主要研究工作如下：1.通过对若干研究案例进行对比分析，将四旋翼飞行器简化为六自由度四输入的欠驱动系统，系统的六自由度输出量与四输入量间耦合紧密，增加了建模难度，也限制了各种控制算法的应用，文中采用机理建模方法，依据参考文献中的动力学方程，推导并建立了四旋翼飞行器的简化数学模型，为控制算法研究奠定了基础。2.根据飞行器的动力模型，采用MATLAB/Simulink仿真软件，搭建了四旋翼飞行器的PID以及滑模控制仿真平台。对飞行器的位置以及高度姿态进行了控制仿真。仿真结果表明，PID控制算法的控制响应时间为2秒左右，滑模控制算法的响应时间为1.6秒左右。对两种算法仿真结果对比显示，PID算法虽然可以很好的进行飞行器控制，但是控制过程中出现较大的超调，这使得飞行器从起始点到目标点的路径比较曲折。而滑模控制算法控制过度平稳，飞行器飞至目标点的飞行轨迹比较平稳。且滑模控制算法具有更短的响应时间和更好的鲁棒性。3.在详细分析系统功能及技术指标要求的前提下，以低功耗为约束条件，讨论了主控制器、高度计、陀螺仪和无线通信模块及执行电机的功能及选型原则，论证了飞行模拟实验平台实现方案，给出了AVR单片机为核心的系统结构框图，设计了并调试了相应电路模块电路原理图。实验表明，飞行器最终达到了基本悬停和在遥控器辅助的情况下的姿态控制要求。4.软件设计方面，采用模块化、结构化设计方法，给出了四旋翼飞行器控制系统的软件设计；从系统方案和软硬件设计等多方面研究了低功耗设计方法，凝练了低功耗设计准则；阐述了软件设计思想及其流程，设计并着重讨论了为提高系统的可调试性和可维护性而研发的自检模块，设计了主程序和部分子程序流程图。