四旋翼飞行器机动灵活、可悬停、可垂直起降,通过搭载的视觉传感器可完成侦查和辅助军事打击等任务,也可以搭载其他设备完成相应的任务,已经被应用到军事和民用领域。随着科技的发展,出现了一类微型化的四旋翼飞行器,与目前应用较多的四旋翼飞行器相比,其体积更小,隐蔽性更强,也更易受到干扰,且有限的负载能力对姿态解算方法提出更高的要求。本文主要研究了微小型四旋翼飞行器的姿态解算和多种控制算法,为后续的开发应用打下坚实的基础。四旋翼飞行器是典型的欠驱动非线性系统,状态量之间存在耦合关系。本文利用欧拉角建立飞行器的数学模型,采用基于四元素的姿态转换矩阵更新算法进行姿态解算。结合飞行器的结构特点和实际工作情况,对数学模型进行简化,并将其划分为全驱动系统和欠驱动系统。全驱动系统包括偏航和高度系统;欠驱动系统包括水平位置和俯仰角、滚转角系统。四旋翼飞行器的航姿系统由MEMS陀螺仪、加速度计和磁力计组成。考虑到传感器特性,利用更加简单的互补滤波算法取代传统的卡尔曼滤波器进行状态估计,节约了处理器资源。设计了位置和姿态的双环PID控制器,在室内无扰动的情况下,控制器性能较好。微小型四旋翼飞行器更易受到扰动,本文设计了两类鲁棒性更强的滑模控制器,分别是二阶滑模控制器和终端滑模控制器。两种控制器保证偏航角和高度快速收敛于期望值,然后将欠驱动系统转化成一种级联形式,通过状态误差的组合构建滑模面。整个系统利用李雅普洛夫原理证明稳定性。通过仿真对比,滑模控制器抗干扰能力更强,二阶滑模控制器解决了滑模面的抖振问题,终端滑模控制器在保持了上述滑模控制器优点的基础上,进一步提高控制精度,响应速度且抑制了系统抖振。本文设计了一种微小型四旋翼飞行器,完成了主控板的硬件电路设计及程序的编写。实现本文提出的姿态估计和多种控制算法,进行了室内稳定飞行和侧向风扰动下的飞行实验,结合开源上位机,对比各种算法的实际效果,体现出本文提出的滑模控制算法的优越性能。微小型四旋翼飞行器更加灵活,本文在平稳飞行的基础上实现了倒立飞行。最后,为了更好地应用此类飞行器,提出了几点今后的研究方向。