随着嵌入式控制器、微电机、微传感器的发展和新型材料的不断出现,四旋翼飞行器受到了越来越多的研究机构的关注。近年来四旋翼飞行器在军事领域和民用领域的应用不断的扩展,四旋翼飞行器的设计、控制取得了快速的进步。本文对其特性进行了分析,并推导建立了四旋翼飞行器的动力学模型。采用四元数姿态解算法和串级PID控制方法完成了四旋翼飞行器的姿态估计和控制程序设计。搭建了四旋翼飞行器的硬件在环仿真实验平台,利用APM飞控,对实验平台的性能和可靠性进行了验证。本文研究的主要内容和成果包括:(1)四旋翼飞行器动力学模型的建立:首先,根据四旋翼飞行器的结构特点分析了其飞行控制的原理;在此基础上,合理的简化了四旋翼飞行器的受力情况,根据牛顿-欧拉方程建立其非线性动力学方程,并在近悬停假设条件下简化得到系统的线性动力学方程。(2)四旋翼飞行器硬件搭建:根据四旋翼飞行器的控制要求和尺寸设计要求,合理的选择了飞行控制器所需要的电子元器件。并根据轻量化的要求完成了机架设计与材料选型以及动力系统的选择。通过实际测试验证了机架材料的可靠性和飞行控制器的可行性。(3)完成了基于PID算法的控制程序:集成飞行控制器的各个功能模块,设计完成了飞行器的整体控制程序。根据四旋翼飞行器的实际控制飞行要求,并考虑到操作者等的安全因素,设计了基于PID控制的四旋翼飞行姿态控制器。测试结果表明,控制律能够实现四旋翼飞行器的基本控制。(4)完成四旋翼飞行器硬件在环仿真实验平台的设计:利用Vicon运动捕捉系统和Matlab/Simulink软件搭建了四旋翼飞行器的硬件在环仿真实验平台。实现了Matlab/Simulink上位机程序对四旋翼飞行器的实时命令控制。实验结果证明了硬件在环仿真实验平台的可行性和可靠性。四旋翼飞行器硬件在环仿真实验平台能够减少控制算法的开发、调试时间,有效的验证控制算法的有效性和实际效果。