四旋翼是一种轻型低成本无人飞行器,目前已广泛应用于航空摄影、电力巡检、农业植保等众多领域。然而由于四旋翼载荷有限,无法携带高精度的导航定位设备,导致其在复杂地形环境下执行任务,使用单一设备如GNSS接收机时容易受到遮挡或干扰而产生信号丢失。此外,四旋翼在林地山间进行地形跟随飞行时容易受湍流影响而造成失速,尤其是其高度控制响应存在延迟,会导致跟随实时性降低。因此,提高四旋翼在复杂环境下的定位精度和飞行稳定性对于进一步拓展其应用范围有着重要的理论意义和实用价值。本文以开源四旋翼为研究平台,开展了对基于多源传感器信息融合的四旋翼导航定位与地形跟随技术的研究,论文主要分为以下三个部分:(1)运动建模与仿真:根据四旋翼的运动学和动力学特征,推导出基于十二维状态向量的动力学模型,并对模型进行了线性化处理;利用搭建的无人机力学测试平台对450mm轴距四旋翼结构和动力参数进行测量;最后,设计了内外环分层的四旋翼控制系统,并在Simulink中进行了仿真验证,结果表明所建模型能够准确反映出四旋翼的运动特征。(2)多源传感器融合方法研究:分析了各传感器输出特性并建立量测模型,开展基于多源传感器融合的导航与定位算法研究。针对四旋翼飞控计算资源有限的特点设计了两级互补滤波算法:在第一级姿态解算方面,介绍了两种互补滤波算法的计算过程,并采集飞控IMU原始数据进行算法验证,在静态和动态条件下对比了两种算法的姿态跟踪精度;在第二级位置解算方面,利用互补滤波算法融合了GNSS、光流和测距仪等传感器数据,对四旋翼速度、位置及传感器偏移量进行估计,并在实际飞行测试中对比了融合不同传感器信息的定位精度。(3)地形跟随应用与高度控制方法改进:为了提高四旋翼在航点间飞行的轨迹精度,对无人机的路径规划算法进行改进;针对高度控制延迟和实时性下降的问题,在传统PID控制结构基础上,提出了一种串级PID高度控制器,增加了对内环的垂直速度控制。Simulink仿真结果表明串级PID可以显著提高高度控制的动态性能。利用搭建的四旋翼实验平台,进一步验证了串级PID控制器的优势。