本文查阅了大量的国内外有关四旋翼飞行器的课研案例及发展前景,并且在此基础上分析了它未来几种可能性的发展方向及其成熟的商业产品,基于四旋翼飞行器的飞行及动力学原理,建立四旋翼飞行器的运动及姿态转换模型,通过分析和优化四旋翼飞行器的模型,构建了数据采集系统、控制系统、通信系统模块,进行了飞行器硬件系统电路及器件选型、软件系统及自主飞快的设计,硬件系统电路主要包括四旋翼飞行器系统电路和遥控、通信、图显、模式控制的上位机硬件电路,软件系统包括遥控系统、监控系统、以及四旋翼飞行器控制系统及输出程序;本课题基于以实现低成本、小型化、多模式自主飞行的四旋翼飞行器的设计思路,采用stm32单片机作为主要的控制芯片,进行了对四旋翼飞行器从硬件、软件、算法仿真等方面系统性的设计,并对飞行器自主飞行、悬停、一键返航等模式进行了算法及理论上的研究和以i2c为通信方式的数据采集、滤波进行了研究,并以mpu6050为例,对姿态角进行数据采集,采用了四元数与互补滤波算法的融合来实现姿态角的滤波以确保测量姿态角的精准;针对四旋翼欠驱动、强耦合、非线性、多输入多输出的特点,本文设计了内外双闭环的控制结构及滑模控制算法,并基于此结构基础上对位置、姿态控制环进行了算法抗干扰性能的改进,建立四旋翼飞行器模型并进行算法的设计及仿真分析,并利用Lyapunov稳定判据并验证。