小型四旋翼飞行器以其简单的机体结构、优越的悬停和低速性能、灵活简便的操控方法等优势开始被越来越多的科研人员和商业机构所重视,并逐渐成为无人飞行器领域新的研究热点。本文以小型四旋翼飞行器的实时控制系统为研究对象,围绕室内环境下的悬停和低速巡航这一设计需求开展研究,以自行搭建的小型四旋翼飞行器为平台,设计制作了小型四旋翼飞行器的实时控制系统。首先,针对小型四旋翼飞行器的独特结构分析其运动方式和工作原理,根据应用需求提出飞行器的功能和性能指标,合理设计机身结构和选配主要部件,完成了实时控制系统的硬件设计。其次,研究了方向余弦矩阵法在小型四旋翼飞行器姿态解算中的应用,采用高效的单位正交化算法对方向余弦矩阵进行校正。根据陀螺仪和加速度传感器、数字罗盘的测量结果在频域上的特点,将陀螺仪解算出的姿态数据与加速度传感器、数字罗盘测量到的姿态数据使用互补滤波器进行姿态融合,有效地提高了姿态测量的精度。再次,对小型四旋翼飞行器进行了受力分析和力矩分析,根据相关的物理规律建立飞行器运动的动力学方程,并对该非线性模型进行了适当的简化。在控制模型的基础上,使用经典的PID算法对位移控制回路和姿态控制回路进行控制,并取得了预期的效果。最后,在实验室环境下搭建了小型四旋翼飞行器的基本测试平台,对航姿参考系统和飞行控制算法的效果进行了实物测试。实验结果表明,本文提出动力学模型和PID控制方法对于小型四旋翼飞行器姿态控制效果较好,对于位置控制仍然需要在今后的研究中加以改进。