小型四旋翼飞行器借助呈对称分布的四个由电机驱动的螺旋桨实现垂直起降和任意方向的水平飞行,其独特的运动控制方式使其可以适用于多种复杂环境。然而,四旋翼飞行器是一个六自由度和四输入(旋翼转速)的欠驱动系统,其姿态与位置存在直接耦合关系,具有多变量、强耦合和非线性等特点,因此,姿态控制是整个飞行控制的关键。本文旨在设计一种低成本,适应性强的姿态控制系统,使得四旋翼飞行器能够在一定范围内实现悬停。　　通过对四旋翼飞行器的飞行原理、机械结构的仔细分析,借助SolidWorks三维模型的转动惯量计算,应用运动学和动力学的基本理论,推导出飞行器沿六个自由度运动与四个输入力之间关系的Newton-Euler方程,应用电机学和动力学理论建立了直流电机驱动螺旋桨运动的动力传递方程,建立了飞行器悬停、沿三个坐标轴平动、绕三个坐标轴转动、绕任意水平轴转动的运动条件方程。通过对四旋翼飞行器自主运动控制原理的分析,应用自动控制的基本原理建立了采用PID和Backstepping控制算法的飞行器控制系统数学模型。在MATLAB上分别建立了飞行器动力学、控制系统和联合仿真模型,针对机体的五种初始状态,在联合仿真模型上对飞行器的自主运动进行了仿真研究,在理论上实现了飞行器沿六个自由度的自主运动和在确定位置的悬停。　　搭建了适用于四旋翼飞行器机械本体的包括ATMEGA2560主控制器、MPU6050姿态传感器、具有信号传输和处理功能的自制PCB电路板的飞行器控制系统硬件,MPU6050芯片采集角速度和线加速度,经补偿滤波算法处理后得到姿态角,借助JAVA语言编写了控制程序,对采用所设计控制系统的飞行器进行了飞行实验,实现了飞行器的可控飞行,对姿态自平衡控制系统的稳定性进行了验证实验。