四轴飞行器属于旋翼飞行器中的一种，是通过四个电机带动四个螺旋桨驱动的、可以垂直起落并悬停的，多旋翼摇杆飞行器。与传统的固定翼飞行器相比，四轴飞行器具有可以迅速改变当前姿态，机动性较强，体积小，重量轻，功耗低，适应于多种较为恶劣的环境，能够在某些特殊的受限制的环境中飞行，因此姿态解算以及控制的精确度至关重要。本课题以四旋翼飞行器为背景，针对现有姿态解算算法中，过程复杂，外力加速度对姿态解算造成影响，万向节死锁等问题，并就当前四轴飞行器控制算法中，传统 PID控制存在滞后现象等问题进行展开工作。　　研究以实现四轴飞行器稳定飞行为目标，提出姿态解算与外力加速度同步估计算法以及双闭环 PID控制算法，主要包括以下内容：　　（1）利用估计的外力加速度修正传感器加速度数据得到准确的反向重力加速度，再结合地磁场向量通过梯度下降算法解算得到旋转四元数的测量值。（2）构建扩展卡尔曼滤波模型，对旋转四元数和外力加速度进行更新，得到旋转四元数的预测值和外力加速度的预测值。（3）用旋转四元数的测量值和测量得到的加速度数据对预测值通过扩展卡尔曼滤波的方法进行校正，最终得到准确的旋转四元数和参考坐标系下三轴方向上的外力加速度，并对算法进行仿真验证。（4）分析传统 PID控制算法在控制方面的不足，建立串级PID控制系统。（5）将传统PID控制算法和串级PID控制算法参数调整到最优效果，并将其输出结果进行对比分析。（6）就当前电子调速器存在相应速度慢的缺点，重新设计其硬件电路以及基于I2C信号传输的电子调速器。（7）搭载四轴飞行器硬件结构，编写算法程序并试飞。