四旋翼无人机作为多旋翼无人机的一种,相较于固定翼无人机具有操控性好,对起落环境要求低,体积小机械结构简单等众多优势。近年来微电子技术应用的不断深入以及控制理论的日益成熟为四旋翼无人机的发展提供了强有力的技术支撑。因其较好的操控性,极强的稳定性,良好的便携性使其在航拍、摄影、救灾、电力巡检、地形勘测等不同的行业都得到广泛的应用。然而,四旋翼无人机的运动模型具有耦合性强、驱动数少于自由度数、非线性等特点。这为四旋翼无人机的控制增加了很大的难度。因此提升四旋翼无人机的稳定性、抗干扰性,设计可靠高效的控制器成为四旋翼无人机设计工作中的关键问题。本文重点研究的内容是对四旋翼无人机控制系统的设计,主要工作包含以下三个部分。首先结合运动学和动力学知识对四旋翼无人机的飞行原理进行了详细的阐述。建立了用于描述四旋翼无人机姿态信息的机体坐标系和地面坐标系,并推导出了坐标变换公式,给出了四旋翼无人机的姿态描述方法。然后基于牛顿定理以及欧拉定理建立了四旋翼无人机的动力学方程以及运动方程。为设计四旋翼无人机控制器提供了理论基础。文章的第二部分设计了四旋翼无人机控制系统的硬件电路。硬件系统主要包括主控制模块,姿态采集模块,无线通信模块以及电机驱动模块。综合考虑对本文所设计的四旋翼无人机控制器性能要求以及各个芯片的成本,选用STM32F407作为主控制芯片。采用MPU6050,HMC583L磁力计以及BMP180气压计作为姿态传感器。无线通讯模块则采用ML01D无线收发模块。然后在Altium designer中设计了各个硬件模块的电路原理图并绘制了PCB图。文章的第三部分主要完成了对四旋翼无人机控制系统控制算法的设计与验证。首先结合各种姿态传感器的原理推算出各个姿态传感器的姿态解算公式。然后基于随机加权滤波算法为四旋翼无人机设计了姿态解算算法,保证了解算出姿态角信息的准确性。然后基于串级PID控制算法为四旋翼无人机控制系统设计了控制器,并结合仿真平台及实际的飞行平台对控制参数进行调试选出了最优的控制参数。最后在Simulink仿真平台对所设计的控制器的轨迹跟踪能力,各个姿态角的收敛性进行了测试,并通过实际的飞行实验对所设计的控制器的有效性及稳定性进行了验证。