微小型四旋翼飞行器具有以下优点：机械设计简单、飞行灵活、能够垂直起降以及安全性高。因此,在工程应用上前景广阔,可进行气象数据采集、空中影像、灾害救援、智能交通、农业喷洒等。本文的研究目的是设计制作一架用于工程实际应用的四旋翼飞行器,分析设计了四旋翼飞行器实验平台的制作方案,以及对其进行数学建模并在此基础上设计了姿态控制系统。首先,进行需求分析,分析了四旋翼飞行器的机械、嵌入式软硬件系统的整体设计方案。其中,嵌入式系统设计主要讨论了硬件选型和软件系统程序流程的设计。对四旋翼飞行器进行数学建模分析。根据四旋翼飞行器的飞行原理以及牛顿运动方程,构建了四旋翼飞行器的非线性动力学模型。并基于一定的假设和简化,建立了四旋翼飞行器的线性模型,为飞行控制系统的设计奠定了基础。通过实验数据拟合模型参数,并且验证模型的稳定性与鲁棒性。阐述了捷联惯性导航的基本原理,分析了惯性导航姿态解算的三种方法,采用扩展卡尔曼算法由传感器数据获得实时姿态角。在建模的基础之上设计LQG控制器,并采用LTR技术和实验确定二次最优控制和卡尔曼滤波器中的参数。通过仿真和飞行实验验证控制器在跟踪、保持、抗噪、鲁棒等方面的性能,并与PID控制器分析比较了飞行器的动态性能。通过四旋翼飞行器的室外飞行实验,验证所设计的姿态控制器性能。实验结果表明,本文设计的控制器取得了良好的控制效果,符合实际工程应用的飞行器的基本要求,从而验证了本文嵌入式软硬件设计和控制系统设计的可行性。