四旋翼无人飞行器具有垂直起降、定点悬停、机动灵活、带载能力强等独特优势,在军民领域都具有广泛的应用价值。四旋翼无人飞行器是一个非线性、欠驱动、耦合性强的不稳定系统,其飞行控制系统设计一直是研究的难点和热点。本文研究对象为火灾救援四旋翼飞行器,围绕其姿态估计、飞行控制进行了深入研究,针对火灾救援的实际应用需求,开展了四旋翼飞行器的设计与实现研究。首先根据四旋翼飞行器的结构特点和飞行原理,将飞行器六个自由度方向上的运动分为线运动和角运动。通过运动分析建立了飞行器系统动力学模型,并对飞行器的非线性、欠驱动、耦合特性进行了具体分析。四旋翼飞行器的控制系统由姿态测量系统、飞行控制系统组成。姿态测量系统实时采集传感器数据准确估算飞行器的姿态信息。飞行控制系统以控制指令和姿态反馈作为输入,通过姿态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统,带动旋翼转动实现飞行的姿态调整。然后,根据系统总体设计方案,搭建了以MEMS传感器、高性能STM32处理器为核心的硬件系统,包括姿态采集、飞行控制、无线通信、避障等功能模块,编写了各个模块的驱动程序,进行大量实验及系统联调测试,最终实现了各功能模块稳定可靠运行,为姿态解算、数据融合、控制算法提供了基础。在姿态估计中,通过对姿态测量传感器模型误差的分析,拟合得到误差补偿方程,利用四元数法对校准后的数据进行姿态解算,然后设计了多传感器数据融合的卡尔曼滤波算法,对飞行器的姿态进行最优估计。在飞行控制中,基于四旋翼飞行器简化模型设计了串级PID控制器,针对飞行器的非线性特性设计了基于反步法的非线性控制器,通过MATLAB仿真对设计的控制算法进行了分析验证。最后,将算法移植到四旋翼飞行器硬件平台中,在实际环境中对飞行稳定性、避障功能进行测试,实验证明了所设计的四旋翼飞行器能够稳定控制飞行姿态,在复杂的环境中能够自动避开障碍物,满足火灾救援的功能要求。