四旋翼飞行器在20世纪初就已经进入人们的视野,但由于当时的技术水平还不够成熟、设备器材还不够高效便捷,使得四旋翼飞行器相关的研究没有很大的突破和进展。直到进入21世纪,随着微电技术、控制理论方法、高新器材的不断更新进步,以及四旋翼飞行器具有体积小、质量轻和灵敏度高等特点,受到了国内外众多研究人员和飞行器爱好者的青睐,纷纷对其展开相关的研究工作,在学术界和工业界都取得了很多研究成果,并应用于民用、军事和商业领域等领域,发挥其实际应用价值。由于四旋翼飞行器具有四个输入变量和六个输出变量,是一种典型的非线性且欠驱动复杂系统,需要使用高效的滤波算法和控制算法以实现对飞行器飞行姿态的控制,同时降低外界环境干扰因素给飞行器飞行姿态带来的影响。为深入研究四旋翼飞行器的控制系统,需要从飞行器的工作原理、基础结构、动力学模型、姿态滤波解算和姿态控制等多个方面进行研究。本文以四旋翼飞行器为研究对象,从软硬件设计、传感器数据采集、数据滤波和姿态解算、控制算法设计等部分展开,具体研究内容如下:(1)结合四旋翼飞行器的硬件模型结构和飞行工作模式,从硬件选材和软件程序两方面构建四旋翼飞行器实验模型。首先选用MPU6050传感器、HMC5883L电子罗盘、ATmega328P单片机等器件搭建实体飞行器平台;然后从初始化设置模块、传感器数据采集模块、数据滤波模块、姿态融合解算模块、姿态控制模块等方面完成飞控程序设计;最后进行姿态融合和姿态控制相关研究实验。(2)针对四旋翼飞行器惯性测量单元测量值滤波和姿态信息解算问题,分别使用三种滤波算法对惯性测量单元的测量值进行滤波,并选用欧拉角表示姿态解算结果。对比三种滤波算法的实验结果可知,二阶互补滤波算法具有较好的滤波性能,不仅降低了测量值误差,还增加了姿态解算精准度。(3)通过研究四旋翼飞行器模型结构及工作原理,使用牛顿-欧拉方程推导其动力学模型,并选用单闭环PID和双闭环PID控制算法设计相应的控制功能模块,经实验验证PID算法能够完成对飞行器的姿态控制。(4)由于本文实现的PID算法未考虑其抗干扰能力,故分别研究了PD控制算法、滑模控制算法和反步控制算法,并在MATLAB/Simulink平台上根据相应算法的数学模型设计了三种控制功能模块。在算法仿真过程中加入风力干扰因子模拟真实环境干扰,以测试各算法抵抗扰动影响的性能强弱,结果显示滑模控制算法的鲁棒性更佳,能够达到精准且高速有效的姿态控制。