无人机作为军事与民用领域的重要航空载体,近年来受到了广泛关注。随着科技的迅速发展,无人机逐渐向小型化、智能化、多功能化迈进。在各类无人机中,由于多旋翼无人机具有机械结构简单、可靠性高、机动性强、可垂直起降等特点,在航拍、农业、救援、小批量运输等应用领域独具优势。为提升多旋翼无人机性能,需要对其机动性与控制精度加以改进。本课题主要围绕多旋翼无人机控制系统中的姿态估计问题以及大角度控制问题展开研究工作。准确而迅速的姿态估计是提升无人机机动性的前提。本课题在姿态估计问题中,首先对多源传感器进行校正,获取校正参数,进而设计扩展卡尔曼滤波器对多源传感器进行数据融合以实现姿态估计。为了减轻地面站监测的通讯量,进一步设计了基于事件驱动机制的滤波器以大幅降低远程监测对通信带宽的要求,以实现在复杂通讯条件下低带宽通信并保证监测可靠。传统无人机控制方法采用欧拉角对姿态进行描述,以实现对滚转、俯仰、偏航三轴的独立控制,该方法具有奇异性与轴间耦合的缺点。本课题采用几何控制方法,直接在SO(3)中计算姿态误差,得到了近全局稳定的控制律。其优势在于避免了欧拉角描述带来的缺点,从而使控制器的有效作用范围从平衡点附近的局部稳定扩展到了近全局稳定,在大角度机动情况下仍可保持对无人机的有效控制。最后,为验证上述算法的有效性,设计了四旋翼无人机原型机、飞控软硬件系统以及配套状态监控地面站。本课题综合多种设计方案,权衡性能、传感器精度、成本、可靠性等因素设计并实现了该硬件系统,并在软件层面进行了算法优化,高效、可靠地实现了飞控功能,成功验证了基于事件驱动的扩展卡尔曼滤波器以及几何控制算法的有效性。