小型四旋翼无人机以其结构简单,操作方便,具有垂直起降、空中悬停和快速航姿变换等优点,被广泛应用于工程实践领域,具有重要的研究价值。针对小型四旋翼无人机飞行姿态测量易受干扰,姿态解算和姿态控制输出误差大等问题,以飞行姿态稳定控制为目标,设计了一种基于STM32微处理器的X型四旋翼无人机。采用以双处理器、双陀螺仪和双加速度计为主的硬件架构,实时采集无人机的飞行姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法和串级PID控制算法对姿态信息分别进行解算和控制输出。实验结果表明,设计的X型四旋翼无人机姿态测量精度高,飞行性能较好,达到飞行姿态稳定控制的目的。本文的主要工作如下:(1)建立了小型四旋翼无人机系统的六自由度非线性数学模型。定义了无人机的地面坐标系和机体坐标系,并在该坐标系下采用牛顿-欧拉法建立动力学方程,采用几何学方法建立运动学方程。在增加约束的条件下得到了简化的系统非线性数学模型。(2)设计并搭建了基于STM32微处理器的X型四旋翼无人机硬件实验平台。该硬件实验平台采用模块化设计,主要包括主控制器、传感器模块、驱动模块、遥控模块、无线通信模块和电源模块。其中,双处理器、双陀螺仪和双加速度计是核心。(3)设计了小型四旋翼无人机的飞行控制系统。它的核心为姿态解算和姿态控制算法两部分。姿态解算采用四元数互补滤波算法融合陀螺仪、加速度计和磁力计的测量数据,输出姿态欧拉角。姿态控制算法采用串级PID控制姿态,采用单环PID控制位置,从而实现姿态与位置的解耦。(4)实验验证了设计的小型四旋翼无人机飞行控制系统的可行性和有效性。通过单、双陀螺仪和单、双加速度计的对比实验,验证了双传感器硬件架构可提升姿态测量精度。通过滤波前后的姿态角输出对比实验,验证了四元数互补滤波算法可提高姿态角的输出精度。通过串级PID的参数调节和无人机的实际飞行实验,验证了设计的X型四旋翼无人机合理有效,姿态角输出误差小,达到飞行姿态稳定控制的目的。