四旋翼飞行器是一个强耦合、高度非线性的欠驱动系统,实现稳定飞行控制的难度较大,具有机械结构简单、操纵性好、灵活性强、可垂直升降等优点,广泛应用于军事、民用领域,更多地受到科研院校和广大航模爱好者的青睐,并被应用到影视广告拍摄中,显现出巨大的商业价值。针对四旋翼飞行器的研究,需将控制、空气动力学、传感器、通信等多学科的研究相结合,具有较高的研究价值和广阔的发展空间。本文选择四旋翼作为研究对象,借助搭建的飞行器硬件平台,对系统的理论模型、算法和调试展开探索研究。本文首先分析四旋翼的飞行原理,构建飞行器的简化动力学模型和电机模型,对系统的惯性测量单元、驱动单元以及图像采集单元进行硬件选型,搭建了以NI myRIO为核心控制器的四旋翼飞行器硬件平台,为后续的系统设计奠定理论和平台基础。针对四旋翼飞行器的数据采集和姿态解算问题,设计滤波器对其进行优化更新。首先对经典互补滤波算法进行优化,设计了自适应互补滤波器,给出离散系统卡尔曼滤波详细的推导过程,设计了该算法应用于四旋翼飞行器系统的具体计算过程,并通过仿真实验验证姿态融合在飞行控制研究中的重要作用,对比分析自适应互补滤波和卡尔曼滤波对信号的处理效果,然后对适用于非线性系统的扩展和无迹卡尔曼滤波算法进行实验对比分析,实验结果表明本文采用的无迹卡尔曼滤波算法去噪效果更明显,对数据的跟踪能力更强。在完成四旋翼飞行器的姿态解算之后,需要对飞行器的控制系统进行设计。本文通过对常用控制算法的工作原理进行分析,给出了PID、李雅普诺夫、LQR三种姿态控制器的设计方法,又将这三种控制器与第二章建立的动力学模型相结合,构成四旋翼飞行器系统仿真模型,并通过仿真实验对比分析几种控制器的性能后,选用双闭环PID控制器对系统的飞行姿态进行控制。为检验本文构建的理论模型、研究的姿态估计算法和控制算法的准确性和有效性,对飞行器系统进行总体软件设计,使用Lab VIEW对数据采集、无迹卡尔曼滤波和双闭环PID控制算法等模块进行编码实现和软件测试,并对图像采集界面进行调试,最后对四旋翼飞行器进行系统调试和实际飞行测试,实验结果表明,本文构建的理论模型准确,设计的姿态解算和飞行控制算法满足四旋翼飞行器稳定飞行的基本要求。