小型四旋翼飞行器是一种多旋翼式无人飞行器,相比于其他类型飞行器其具有结构简单、起降所需的空间较小,在复杂环境下具有较高机动性等特点和优势,非常适合在室内和城区等近地面环境及较危险环境下代替人类执行侦察监视任务,被广泛的应用于军事和民用领域中,成为近年来研究热点,受到了人们的极大的关注。本设计以小型四旋翼飞行器为研究对象,首先对其飞行原理进行分析,结合惯性坐标系和机体坐标系得出了其转换关系,根据牛顿定律和力矩平衡原理对飞行器建立了精确数学模型。然后根据四旋翼飞行器的结构特点,分别对主控制中心的飞控板,电机驱动模块以及电源模块进行硬件选型和设计,其中对主控制系统分为MCU芯片,姿态传感器模块和无线通信模块分别进行了详细的板级设计介绍,搭建起了实用可靠的硬件实验平台。接下来对飞行器的核心导航控制器进行重点讨论,针对飞行器在复杂环境中稳定飞行的问题,基于多传感器融合滤波技术,本课题设计了一个高效的导航控制器。在传统四元数法基础上设计了一种自补偿法进行姿态解算,由于传感器采集的姿态角等数据包含噪声和误差积累,因此设计了有效的滤波器来进行多传感器的数据融合,通过对比,最终采用的Kalman滤波算法相比于互补滤波器拥有更强大的抗干扰能力和更优的稳定性,在飞行器控制算法的讨论上,对变结构滑膜控制进行了介绍然后重点研究了更适合本文设计的小型飞行控制系统的PID控制器,设计了结合姿态角和高度信息的双闭环控制方法,并得到有效验证。最后介绍了本设计的软件系统以及实地飞行试验,对整个控制系统的嵌入式软件流程进行分析与设计,结合实际飞行器的情况对系统进行联合调试并进行了飞行试验,列出了飞行调试中各个步骤和注意事项,通过反馈回上位机姿态角等参数进行观测分析,最终通过试验验证,基本达到了预定的飞行效果。