四旋翼飞行器是一种结构简单、机动灵活的可垂直起降与自由悬停的多旋翼飞行器,只需要改变各个旋翼的转速就能完成不同的飞行任务。这些优点决定了四旋翼飞行器在军事领域及其他领域的巨大应用价值。由于其自身的欠驱动、强耦合、非线性和多变量特性,实际研究中依然存在着诸多问题与挑战。本文以德国Mikrokopter公司的小型四旋翼飞行器实验平台为研究对象,建立了四旋翼飞行器的动态模型,基于滑模算法对该模型设计了控制器,并在实验平台上做了飞行实验。首先,分析四旋翼飞行器的工作机理,并基于牛顿-欧拉方程建立了其线运动与角运动方程。针对模型的欠驱动特性,把四旋翼飞行器的动态模型分解成全驱动子系统和欠驱动子系统,以简化系统分析与控制器的设计。其次,对分解后的四旋翼飞行器动态模型做了滑模控制算法研究。针对四旋翼飞行器动态模型的耦合性,对全驱动子系统设计了快速终端滑模控制器,以保证该子系统的状态变量在很短时间内收敛到平衡点并在欠驱动子系统的分析中视其为常量,从而系统在一定程度上解耦,简化了欠驱动子系统的分析;进而对欠驱动子系统设计了积分滑模控制器,并基于李雅普诺夫理论证明了其稳定性。仿真结果证明:在本文控制器的作用下,四旋翼飞行器能够完成各种飞行任务(包括稳定悬停、俯仰、横滚、偏航和轨迹跟踪)。再次,是对四旋翼飞行器的软硬件设计与实验研究。重点分析了姿态控制层各个模块电路的工作原理,并完成相关电路的设计。在此基础上对传感器电路模块进行仿真分析,验证了电路的合理性。软件部分主要完成姿态控制层和电机驱动层的程序设计,给出各个模块的程序流程图。完成硬件与软件的设计后,在实验平台上做了飞行研究,具体过程如下:在上位机设置飞行控制器的参数进行设置,通过遥控器完成姿态传感器(陀螺仪与线加速度计)的零点校正,基于PID算法进行了不同姿态的飞行实验。最后对本文的工作进行了总结,并给出对下一步工作的展望。