四旋翼飞行器是无人机飞行器的一种,由于其结构简单,能垂直起降,易于控制等优点,很早就吸引了众多关注,特别是在近年随着相关技术难关的攻克和生产制造水平的提升,四旋翼飞行器渐渐地出现在人们的视野中,在航拍,公共安全,农业等领域都有应用。不管是从市场潜力还是从应用价值来看,四旋翼飞行器都有很大的发展空间,世界各地的科研院所和公司也都纷纷加入到了四旋翼飞行器的研发当中。本文围绕着四旋翼飞行器在数学模型的构建,姿态控制的研究和系统功能的实现等方面,主要展开了以下研究工作:(1)分析了四旋翼飞行器的动力学和运动学原理,设置惯性坐标系和机体坐标系用于标定飞行器的空间位置,并分别用欧拉角、方向余弦矩阵和四元数描述飞行器的运动姿态及相互之间的转换关系,最终建立起飞行器的数学模型。(2)研究四旋翼飞行器的控制算法,从传感器数据采集到数据滤波,姿态解算,姿态控制等多个方面进行相关算法的研究,在数据滤波上使用二阶低通滤波和卡尔曼滤波,在姿态解算中使用了四元数法和方向余弦矩阵法,而在姿态控制算法中使用反推控制算法,为了更好的抑制干扰,对传统的反推算法进行改进,引入一个坐标转换,加快系统的收敛速度,从而达到抑制干扰的作用。(3)以STM32F103系列芯片作为飞行器的控制核心,对传感器MPU6050,通信模块,电机以及其他部件进行控制,并在裸机系统下构建整个飞行器的软件层,着重根据不同的上位机终端使用了不同的无线模块,分别对其功能进行实现。使用QT软件搭建PC端和移动端的上位机,实现飞行器姿态控制、状态显示,视频传输等功能。最后在STM32F103芯片上移植了UCOSIII操作系统,在操作系统的基础上构建了飞行器的软件层,发现在操作系统下构建飞行器程序比在裸机系统下更为便捷。本文在飞行器实际飞行过程中对算法和相关模块进行实验,证明了所设计的算法和模块的有效性。