四旋翼无人飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,因其起飞降落所依赖空间小,及姿态保持能力强等优点,在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景。本课题来源于温州市科技计划项目,意在研制出一架小型四旋翼低空无人飞行器样机。课题主要通过利用PID控制方法及无刷直流电机驱动技术,初步研究和设计四旋翼无人飞行器的整体结构与飞行控制系统,并在此基础之上,搭载通信模块,研制出的样机不仅能实现四旋翼飞行器的各种飞行动作,还可进行简单的实时视频监控。本文首先分析四旋翼飞行器的结构特点及工作原理,并结合相关飞行参数,对飞行器样机进行数学建模,构造了飞行器姿态运动及位置运动共六个通道的传递函数,并引入四个控制量,将模型分解成独立的控制通道。采用PID控制方法,对飞行器悬停状态下姿态和位置控制律,进行仿真,验证控制方案的可行性。进而对样机进行整体设计,包括机身总体设计、能源与动力装置设计及起落架设计。为确定升力装置的选型,设计了旋翼拉力测试平台,通过多次试验,得出电机／旋翼的最佳工作区间。重点设计飞行器的硬件电路部分,包括飞行控制器、电机调速模块、RS232通信模块和视频监控模块；飞行控制器基于ATmega644的微处理器,融合了三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压高度计,用来获取飞行器的航姿信息,并进行实时解算；视频监控模块采用机载无线图传的方式,地面接收设备实时显示其监控画面。本文软件分为算法实现及上位机界面部分。算法采用C语言进行编写,实现PID控制功能、PWM电机调速及传感器数据校正；上位机软件通过串口对飞行器各参数进行设置,模拟飞行器当前的三维状态,并可实现简单的航点设置。