四旋翼飞行器作为一种垂直起降式的飞行装置,因其成本低廉、操作灵活、结构简单和机动性良好等优势,在农业考察、目标跟踪、灾后搜救、森林防火、反恐监控和娱乐航拍等众多领域中均得到了广泛应用。然而在实际飞行过程中,四旋翼飞行器易受到气流、陀螺效应以及噪声等外部因素的干扰,同时由于其自身结构的欠驱动、强耦合、多输入多输出和非最小相位等特性,使得四旋翼飞行器控制系统的设计和稳定性分析变得十分困难。因此,深入研究四旋翼飞行器的控制方案,并设计出一个稳定可靠的飞行控制系统实现四旋翼飞行器对指定轨迹的跟踪控制是十分必要的。本文的主要研究内容如下:首先,本文对四旋翼飞行器的工作原理和常用的姿态描述方式进行了详细分析,并在此基础之上,利用牛顿-欧拉定理和刚体力学理论建立了四旋翼飞行器的原始动力学模型。同时为了便于机体模型的分析和控制算法的研究,本文根据假设条件,对四旋翼飞行器的原始动力学模型进行合理简化,为后面四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统的设计打下了坚实的基础。其次,针对四旋翼飞行器对期望轨迹的稳定跟踪控制问题,本文利用串级PID算法设计了一种双回路轨迹跟踪控制系统,并在Matlab/Simulink环境中对该系统的控制性能进行了详细的仿真分析与实验验证。仿真结果表明:本文设计的基于串级PID算法的轨迹跟踪控制系统具有良好的控制效果,能够成功地实现四旋翼飞行器对期望轨迹的快速和精确跟踪。再次,针对四旋翼飞行器控制系统在实际应用中执行器饱和会严重影响到整个系统的闭环稳定性问题,本文采用饱和控制方法设计了一种四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统,可以有效地解决在输入饱和情况下四旋翼飞行器对期望轨迹的稳定和快速跟踪问题。相比于串级PID控制系统,本文在四旋翼飞行器饱和控制系统的位置环中,不仅设计了包含双曲正切函数tanh(x)的有界控制输入,同时还引入了动态系统全局渐进稳定定理,将四旋翼飞行器的位置子系统构造成了具有全局稳定的闭环系统。仿真实验结果表明:该控制系统在饱和控制输入方面有着很好的全局渐近稳定性,可以很好地完成四旋翼飞行器对指定轨迹的跟踪控制任务,并且在跟踪过程中,系统超调量和稳态误差几乎为零。然后,针对四旋翼飞行器串级PID控制系统和饱和控制系统中,各类控制参数之间存在着强烈的耦合关系,调试难度极大且控制效果难以达到最优等问题,本文提出基于进化算法的控制参数优化策略,以时间乘以误差平方积分(Integral of Time-weighted Squared Error,简称ITSE)准则作为系统优化指标,通过大爆炸大收敛算法(Big Bang-Big Crunch,简称BB-BC)、布谷鸟搜索算法(Cuckoo Search,简称CS)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization,简称PSO)以及差分进化算法(Differential Evolution,简称DE)的迭代寻优来得到当前系统的最优控制参数。仿真实验结果表明:上述进化算法优化出的参数均可实现四旋翼飞行器对期望轨迹的稳定跟踪控制,但相比于其他算法,BB-BC算法表现出的参数优化性能更强,收敛速度更快。最后,针对四旋翼飞行器的可视化跟踪控制研究,使其具备像实体机一样的仿真分析功能,本文联合Matlab和Solidworks三维CAD软件,搭建了一套基于Sim Mechanics物理模型的四旋翼飞行器可视化跟踪控制系统仿真平台,可对各种先进的控制算法进行在线验证,并直观地显示四旋翼飞行器的实时飞行状态。