四旋翼飞行器凭借其结构与控制算法简单,易于模块化,成本较低等优势在检测,巡检,航拍,安防等领域有着广泛的应用,但是其欠驱动特性影响了动态特性与抗扰性。因此本文设计双向电机驱动的四旋翼,应用对应的飞行控制算法与器件,提高四旋翼的位姿跟踪动态特性与抗扰性,并在仿真与实验中验证。本文的工作如下:首先,在直角笛卡尔坐标系系统中对双向电机驱动的四旋翼进行运动学与基于四元数的动力学建模,避免大角度机动时的奇点现象,推导基于四元数的姿态变换矩阵。其次,推导双向电机的工作逻辑,分析带负载的传递函数模型,设计适用于双向电机驱动四旋翼的PID与ADRC控制器与其参数整定方法,设计姿态-位置串级控制系统;分析双向电机驱动四旋翼的俯仰滚转偏航转矩,并证明其稳定性;设计双向电机对应的控制分配矩阵,即电机转速到推力与转矩的映射。接着,使用hp-伪谱法,利用四旋翼的微分平坦特性建立平面模型,对其进行点到点,点到竖直,翻转的路径规划与最优控制设计,验证双向电机驱动四旋翼进行高机动位姿变换的有效性。最后搭建接近实际的四旋翼仿真系统,包括电调电机,机体物理模型,PID与ADRC控制器等部件,进行位姿跟踪的仿真。基于模型设计四旋翼整体架构,以提高机动性为目的,使用轻质机架,双向电机,可编程飞行控制板与电调等硬件,进行桨叶推力转矩测试与四旋翼跟踪姿态角的实验。仿真结果显示双向电机可以使用反向电流驱动电机快速减速与反向旋转,双向电机驱动的四旋翼可以提高跟踪姿态角与螺旋轨迹的快速性,ADRC控制器可以提高机体抗扰性。实验表明桨叶与双向电机的搭配可以输出足够的推力与转矩,换向过程快速。双向电机驱动的四旋翼可以跟踪单轴的阶跃姿态角与双轴的正弦姿态角,相比于单向电机驱动的四旋翼,提高了姿态跟踪的动态特性。