四旋翼无人飞行器（Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle）是一种可垂直起降的飞行器（Vertical Take-Off and Landing，VTOL）。与传统的固定翼飞行器相比其有许多不可取代的优势，如能够在空中完成悬停、垂直起降、低速飞行和室内飞行等任务。近年来，四旋翼无人飞行器以其诸多优点在公路巡航、无人侦查、交通监控、森林防火、航空摄影以等方面的广泛应用前景，得到了人们的广泛关注，并且成为了国际上的研究热点。本文的工作主要针对四旋翼无人飞行器建模、设计、飞行器控制以及导航展开，论文主要工作如下：1.四旋翼无人飞行器模型的建立与动力学分析。建立准确的数学模型是飞行器设计成功与否的第一步。本文利用建立飞行器的姿态矩阵，利用姿态矩阵得到飞行器在地理坐标系下的运动模型，利用运动模型分析四旋翼飞行器的基本运动规律，利用MTALAB对飞行器的运动模型进行仿真验证，为飞行控制系统的设计提供了相关依据。2.四旋翼飞行器控制系统的设计与实现。根据所建立的模型以及系统模型的分析，以FPGA和DSP为主控芯片，设计飞行器主控制系统。根据飞行器姿态及位置信息的要求，以ARM7为主控芯片以及MEMS陀螺、加速度计以及磁阻传感器设计飞行器的导航系统。选取直流无刷电机作为四旋翼无人飞行器执行机构，利用线间反电动势检测法对电机转子位置进行估算，并设计了电机系统的控制程序。设计相关硬件电路，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成系统硬件设计。3.四旋翼飞行器控制算法设计。为四旋翼飞行器设计合适的控制方法是本文的重要内容。在本文中提出了两种控制方法，首先介绍了基于飞行器简化模型的经典PID控制器，基于飞行器简化模型的位置控制器设计。然后介绍了基于Backstepping控制方法的设计与仿真。4.捷联导航算法研究。对捷联算法采用仿真数据进行了仿真实验；结合MEMS惯性器件精度介绍了扩展卡尔曼滤波算法，并设计EKF估算系统的姿态和位置等信息。并用实际采样数据对该算法进行了仿真分析，仿真得到姿态误差为±0.5°，速度误差为±0.2m/s，位置误差最大为-7m。通过仿真分析，对实际嵌入式软件的设计提供了指导。5.四旋翼无人飞行器地面站软件设计及系统实验研究。首先使用WPF编程环境完成了无人机地面站软件的设计；其次，设计无人机验证实验，分析了实验结果，同时对系统提出了改进建议。