四旋翼无人机是一种电动的、能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遥控自主飞行器。四旋翼飞行器具有交叉对称的框架结构，在框架的四个端点上分别固定相同型号的无刷直流电机与螺旋桨，通过控制四个电机的转速来实现飞行器的不同飞行姿态，四旋翼飞行器具有非线性、强耦合、欠驱动和多输入多输出等复杂特性。由于其具有垂直起降、悬停、前飞、倒飞和侧飞等飞行姿态特点，四旋翼无人机的应用前景越来越丰富，成为近年来国内外的研究热点。本文以四旋翼飞行器为研究对象，主要设计四旋翼飞行器的自主控制系统，并根据此控制系统设计搭建了飞行器的仿真模型，最终完成飞行试验。首先，根据四旋翼飞行器的飞行原理及对飞行器的动力学分析，根据牛顿第二运动定律和力矩平衡原理，对机体进行机理建模，建立了机体的非线性动力学模型，根据LPV法对机体的非线性模型进行线性化得到易于仿真控制的线性动力学模型。并根据参阅相关资料分析总结了四旋翼飞行器的姿态解算算法。其次，根据对四旋翼飞行器建立的动力学模型，在Matlab/Simulink中搭建系统的仿真模型，对高度、俯仰角、横滚角、偏航角四个通道独立设计PID控制器，通过PID控制算法实现姿态的稳定控制，通过仿真验证了PID控制算法的有效性。第三，设计了飞行器控制系统的硬件架构。充分考虑了四旋翼飞行器的特性及负载能力，本文选择以铝合金十字架为机体结构框架，以无刷直流电机作为驱动动力部分，以STM32为控制器，以MEMS陀螺仪加速度计和磁阻传感器为检测模块，搭建了四旋翼飞行器的研究平台。第四，对四旋翼飞行器的传感器进行数据采集处理，通过I2C总线对加速度计和陀螺仪进行原始数据采集，通过均值滤波和滑动平均滤波对数据处理，根据四元数法对采集到的数据进行融合，合成飞行器的姿态信息，获得飞行器的姿态，将姿态信息应用于四旋翼飞行器研究平台上进行控制。本文的难点在于对系统的精确建模和根据仿真模型设计的控制器与实际硬件系统相结合，最后完成飞行试验。