四旋翼飞行器属于旋翼飞行器的一种,由于其具有可垂直起降、机动性强、稳定性高、操作简单等优点而成为当今微型飞行器领域的研究热点。同时四旋翼飞行器是一个强耦合、非线性、欠驱动的系统,实现其稳定可靠飞行对于微处理器、传感器、机械设计、导航算法、控制算法都有较强的要求,因此四旋翼飞行器的研究为上述技术领域提供一个便捷有效的平台。本文从四旋翼飞行器控制系统展开研究,重点研究四旋翼飞行器控制系统的关键技术。四旋翼飞行器控制系统关键技术主要分为飞行平台搭建、导航算法设计、控制算法研究三个方面。在研究关键技术之前,首先研究四旋翼飞行器数学模型,给出欧拉角和四元数姿态两种姿态描述参数,建立四旋翼飞行器姿态模型和位置模型,这是四旋翼飞行器的理论基础,也是研究其关键技术的基础。四旋翼飞行平台是四旋翼飞行器控制系统关键技术之一,其包括软件平台设计和硬件平台设计。硬件平台选取STM32F4作为主控芯片,选取MEMS陀螺仪、加速度计、地磁罗盘作为姿态传感器,选取气压计和GPS作为位置传感器。软件平台选取μC/OS-III操作系统为底层驱动,提升了四旋翼飞行器的实时性和稳定性。针对加速度计直接与飞行器固联导致加速度计噪声大的缺点,本文设计海绵质量块隔振系统消除机体自身振动产生的高频干扰。同时本文设计标定系统对陀螺仪、加速度计、磁传感器进行标定和校准,提高测量准确性。再次,针对四旋翼飞行器导航算法,传统的单一传感器姿态和位置解算方式误差较大,并且随着时间推移,解算会出现发散。因此本文采用均方根无迹卡尔曼滤波(SR-UKF)对系统状态进行估计。选取姿态四元数、载体位置、载体速度以及陀螺仪零漂为状态量建立系统状态方程,同时用磁力计、GPS以及气压计作为观测传感器建立系统量测方程,通过实验对比纯惯解算和均方根无迹卡尔曼滤波解算精度,验证该算法的有效性和准确性。最后设计两种控制器,在对四旋翼飞行器数学模型进行简化的基础上,将四旋翼飞行器位置控制器作为外环,姿态控制器作为内环,利用经典PID方法设计串级PID控制器。同时以反步法的思想设计反步控制器(Backstepping),反步控制器(Backstepping)是将高阶系统分解成不超过系统阶数的子系统,通过对每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量,通过一步步迭代最终求出系统实际控制输入。通过两种控制器对比,验证所设计控制器有效性和稳定性。