四旋翼无人机是一种具备垂直起降和悬停功能,并具有优良低速飞行性能的无人驾驶旋翼飞行器。与常规布局无人直升机相比,四旋翼无人机还具有结构紧凑、操控简单,维护方便,使用成本低等优势。由于这些特点和优势,四旋翼无人机技术研究近年来受到了国内外学术界越来越多的关注,并广泛应用于军事和民用领域。论文围绕四旋翼无人机飞行控制系统的设计与实现问题,以实现室内环境下的自主飞行为目标,着重研究了数学建模,航向姿态参考系统,基于干扰观测器的飞行控制,飞行控制系统软硬件设计与实现以及地面控制站开发等内容。论文的主要研究内容如下:首先,详细分析了作用在四旋翼无人机上的力和力矩,并基于牛顿——欧拉原理建立了十二状态非线性动力学方程。通过实验的方法确定了数学模型中的机体转动惯量和旋翼升力系数等参数,同时给出了旋翼转速与PWM信号及电压之间的关系。考虑到工程实现和控制器设计需要,采用小扰动线性化方法对非线性动力学方程进行线性化,得到了以传递函数表示的线性数学模型。然后,设计了基于低成本微机电系统传感器和四元数扩展卡尔曼滤波算法的航向姿态参考系统。针对航姿系统易受干扰加速度影响而导致精度变差的问题,设计了具有干扰加速度修正的四元数扩展卡尔曼滤波航姿估计算法,并在TMS320F28335数字信号控制器上进行了实现。与普通四元数扩展卡尔曼滤波算法的比较实验结果表明,具有干扰加速度修正的航姿估计算法具有更高的精度,能够满足四旋翼无人机室内飞行控制系统的需求。其次,针对四旋翼无人机在室内飞行时容易受到内部和外部干扰的问题,先后设计了两种基于干扰观测器的飞行控制方法。先是采用串级滑模控制方法对四旋翼无人机进行了姿态控制,并使用非线性干扰观测器对外部干扰进行估计。仿真结果表明,滑模姿态控制器具有良好的姿态控制性能和抗干扰能力。针对传统干扰观测器干扰估计精度有限的问题,提出了基于线性双干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制策略,并给出了基于线性双干扰观测器的闭环控制系统的稳定性证明。同时,设计了基于Smith预测补偿器的改进PID位置控制律。仿真实验表明,基于线性双干扰观测器的迹跟踪控制策略是有效的。接着,对室内环境下的四旋翼无人机飞行控制系统进行了软硬件设计与实现。硬件方面,重点设计了以TMS320F28335为主控芯片的飞行控制主板,完成了原理图绘制和PCB设计。软件方面,设计了基于DSP/BIOS嵌入式实时操作系统的飞行控制软件系统,并对主要功能模块进行了详细设计。为满足飞行控制系统调试和运行需求,还开发了基于MFC的地面控制站。最后,进行了四旋翼无人机室内飞行实验,包括姿态控制实验和位置控制实验。飞行实验结果表明,四旋翼无人机飞行控制系统的设计是合理的、有效的。