四轴飞行器是一种典型的非线性、强耦合的欠驱动系统,早在上世纪初就有学者相继研制四轴飞行器,但由于种种原因都未取得较大的突破,使得四轴飞行器的研究一直以来未受关注。直到20世纪90年代,随着计算机技术、微电子技术和自动控制技术的迅猛发展,四轴飞行器再一次引起了科研人员的兴趣,继而出现了许多相关科研项目和研究成果。由于飞行器在实际飞行过程中会受到空气阻力、阵风等不确定因素的影响,难以建立其准确的数学模型,这也给控制系统的设计带来一定的挑战。四轴飞行器因其结构简单、飞行灵活等特点,在军事和民用领域得到了广泛的应用。本文针对航拍四轴飞行器的特点,利用牛顿-欧拉方程,建立了其动力学模型;利用四元数法建立了其运动学模型,并求出运动学方程的解析解和数值解。在姿态解算中,结合陀螺仪、加速度和磁力计等传感器的优缺点,设计了基于四元数的互补滤波算法。硬件方面,制作了集成有陀螺仪、加速度、磁力计和气压计的PCB飞控电路板,并可以外接GPS模块。在控制系统方面,在传统PID的基础上,设计了姿态平衡串级PID控制算法、高度串级PID控制算法和GPS定点PID控制算法,实现了四轴飞行器的姿态控制和定高定点悬停控制。最后,搭建了四轴飞行器试验平台,进行了室外飞行试验。试验结果表明,四轴飞行器可以实现稳定的飞行和精度较高的悬停,基本满足航拍四轴飞行器的设计要求。