无人机主要分为固定翼和旋翼两种类型,其中四旋翼无人机以其结构简单、操作容易、成本低等特点被广泛应用。飞行器的姿态控制算法是保证飞行器稳定飞行的核心,因此研究飞行器姿态控制算法具有十分重要的意义。本文首先对飞行器的姿态解算方法和MEMS传感器的数学模型进行了分析与研究,然后利用牛顿-欧拉公式建立了四旋翼动力学模型。在动力学模型的基础上,利用PID算法设计了位置控制器和姿态控制器,并在MATLAB中对控制系统的稳定性进行了仿真验证,仿真结果表明PID控制算法可以保证飞行器稳定飞行。系统仿真时的姿态反馈信息由飞行器动力学模型解算得到,而实际飞行器系统的姿态反馈信息由陀螺仪、磁力计及加速度计的数据结合姿态估计算法得到。本文首先研究了基于扩展卡尔曼滤波算法和无迹滤波算法的姿态估计算法,针对上述两种算法计算量大且实现复杂的问题,本文设计了一种基于改进型互补滤波算法的姿态估计算法。在MATLAB中分别对三种算法的估计精度进行了仿真验证,仿真结果表明三种姿态估计算法的姿态角度估计精度均较高,但本文设计的基于改进型互补滤波算法的姿态估计算法减小了系统计算量并降低了实现难度,更加适合低成本处理器系统。基于上述设计的控制器与姿态估计算法,本文采用STM32F427处理器进行了飞行器系统设计,并利用该系统进行了悬停与飞行运动实验。实验结果表明本文设计的控制系统和姿态估计算法能保证飞行器稳定飞行。在飞行器平台基础上,本文设计了一套用于检测大气PM2.5/10浓度的环境监测系统,该系统利用四旋翼飞行器搭载PM2.5/10激光散射仪测量大气PM2.5/10浓度,并利用QT开发的上位机界面进行数据显示与保存。