四旋翼飞行器因其结构简单、机动性强、操作方便、能垂直起降等特点,已成为当今工业届和学术界的研究热点。四旋翼飞行器是一个多变量、强耦合、非线性、欠驱动的复杂系统,对环境的变化极其敏感,使得精确控制飞行器的姿态绝非易事,这对飞行控制系统的设计提出了极高的要求,也使得飞行控制算法研究成为四旋翼飞行器控制关键技术之一。迄今为止,PID控制仍是四旋翼飞行器飞行控制的主角,它不需要系统的精确数学模型,基于系统误差,通过调节PID控制器的参数,实现四旋翼飞行器姿态控制。但由于四旋翼飞行器独有的动态特性,使得传统PID控制很难达到高精度的控制效果。本课题针对传统PID在四旋翼飞行器控制上存在的问题,通过调研国内外四旋翼飞行器的研究现状和控制算法,主要针对以下几个方面进行研究:(1)分析了四旋翼飞行器的结构布局与飞行原理;利用牛顿-欧拉法并基于混合坐标系,建立了四旋翼飞行器动力学方程和运动学方程;在合理的假设条件下,得到了四旋翼飞行器的简化数学模型与状态空间模型,完成了四旋翼飞行控制系统参数的辨识。(2)基于四旋翼飞行器非线性数学模型,分析了控制变量,设计了PID控制器与反演控制器;在给定参考指令下,实现了姿态与位置控制;并在MATLAB/Simulink中对所设计的控制算法进行了对比仿真分析。(3)基于嵌入式实时操作系统u C/OS-Ⅲ,以STM32F407为主控制器,对硬件进行选型,完成了飞行器硬件平台布局;基于飞行控制任务规划,完成了控制指令的软件流程设计;最后,完成了四旋翼物理仿真平台的搭建。(4)采用C语言编写飞行控制算法软件程序,基于已搭建的物理平台完成硬件调试和软件调试。仿真结果表明,飞行器在积分反演控制算法作用下,姿态达到稳定的时间为1.1s,相比于抗积分饱和串级PID控制算法,响应时间缩短了0.9s,比传统PID控制算法,响应时间缩短了1.4s;并且系统控制仿真过程中无超调现象;实际的飞行结果表明,飞行器的姿态积分反演控制作用相比抗积分饱和PID控制算法的作用,室内、室外的控制精度分别提高了0.3~0.7度与1~3度。验证了本文所设计的积分反演控制算法具有更好的姿态控制效果。