四旋翼飞行器作为当前一种新型无人机,具有体积小、灵活度高、结构简单、价格低廉等特点,在民用和军事领域有着广泛的应用前景,自问世以来,便引起了世人的广大兴趣。而作为一个受控对象,四旋翼飞行器是一种欠驱动、强耦合的复杂系统,具有较大的控制难度。本文针对四旋翼飞行器的结构特点,提出了一种设计方案,并通过计算机仿真和实际飞行试验验证该方案的有效性。本文的研究重点主要有:(1)四旋翼飞行器数学模型的建立。首先根据飞行器的飞行原理,选用地理坐标系和机体坐标系作为飞行器的参考坐标系,推导四元数法求取飞行器的欧拉角,最后根据空气动力学和刚体运动学推导出四旋翼飞行器的运动学方程和转矩平衡方程。(2)飞行器姿态的解算。针对目前旋翼飞行器在高机动和复杂飞行环境下测算的姿态相对误差较大的问题,提出了基于多传感器信息融合的飞行姿态解算。首先通过卡尔曼滤波算法对陀螺仪输出角速率进行噪声补偿,提高角速率输出精度,然后根据各传感器的噪声频率特性,将加速度计和磁强计所测量的角度信息与滤波之后的角速率进行互补融合求取四元数,通过四元数与姿态旋转矩阵的转换关系获取飞行器姿态信息,最后通过仿真和三轴转台实验证明飞行器姿态解算算法的有效性。(3)飞行器硬件的选择及设计。详细论述了飞行器各个组成硬件模块的设计思路。其中选用STM32F103C8T6作为飞行器的主控芯片,使用斩波电路对电源电压进行转换,为了降低飞行器的工作噪声和保证系统的使用寿命,使用永磁无刷直流电机作为飞行器的动力单元,并采用无位置传感器控制算法对电机进行驱动。(4)姿态、位置控制器的设计。在建立四旋翼飞行器数学模型的前提下,设计了姿态PID控制器,并在此控制器基础上,结合了模糊控制算法,使姿态控制器能够适应飞行器系统参数的变化,实现姿态控制器的自适应。设计了位置PD控制器,使飞行器能够跟踪设定航线。最后通过实际飞行实验验证控制器的正确性。