目前无人机市场发展迅速。相对于固定翼无人机,旋翼无人机因其具有控制简单,可悬停飞行和成本低的优势,因而在工厂巡检、快递投放、森林灭火、航拍、农田植保、警用安防监控等诸多领域有广泛的应用场景。由于旋翼无人机姿态控制和悬停控制精度都是影响上述应用场景的重要性能指标。姿态控制和悬停不够精准,会造成无人机机体抖动,漂移甚至失控等情况的发生,从而出现工厂巡检路线偏离,农田植保杀虫药喷洒不到位,快递货物不能准确投递和航拍质量差等情况。同时风力因素和无人机本身噪声的耦合也会对姿态控制和定点悬停产生干扰。所以需要对旋翼无人机姿态控制和精准定点悬停进行研究。在旋翼无人机的控制中,飞行器在空中姿态控制和悬停是通过多种传感器数据融合实现的。由于传感器本身精度,噪声的影响和当前常用数据融合算法设计的适用性问题,导致旋翼无人机空中的姿态控制,和定点悬停始终会精度不高。比如IMU和气压计的数据融合,由于传感器噪声和空气扰动的影响,会使无人机在空中悬停时产生漂移;又如激光测距传感器和光流传感器的融合对于在高度大于10米,光照复杂的环境中表现欠佳。同时,旋翼无人机在空中悬停定位过程中,由于突如其来的风力或外力原因,导致瞬间偏离了原来的空间位置点,很难重新调整准确而快速的回到原来空间位置悬停点。在旋翼无人机市场中,由于四旋翼无人机是主流,所以本文把四旋翼无人机作对象进行研究。本文通过深入分析四旋翼无人机的姿态控制原理,对无人机建模分析,并定量计算风力对四旋翼无人机悬停产生的负面影响,设计了四种四旋翼无人机定点悬停的方案,通过对比分析,选取了两种最优的解决方案。其中,针对无人机在高空应用场景,提出两种基于IMU,气压计的悬停控制方案;针对低空的应用场景,提出两种基于光流传感器数据融合的方案。在选取的两种最优方案中,吸取了串行PID,扩展卡尔曼滤波器,互补滤波器和光流法对于无人机姿态信息数据融合的优点,来实现应对复杂环境的四旋翼无人机的姿态控制和精准定点悬停,高度达到在离地面0.5米到100米的范围,具有适用性强和稳定的特点。本文关于旋翼无人机的控制研究主要在以下几个方面展开:1.对四旋翼无人机姿态控制的原理进行了深入剖析,在此基础上对四旋翼无人机建模并确立了四旋翼无人机的控制模型;对无人机姿态信号的检测进行试验对比,推导并比较了互补滤波器,卡尔曼滤波器和扩展卡尔曼滤波器。2.对无人机的干扰因素,比如风的干扰进行定量分析,对不同品牌的MEMS性能进行分析和筛选。3.基于MEMS传感器的数据融合,本文提出了两种无人机悬停方案,一种是数据计算量小的串行PID控制方案,一种是能够进行准确预测和补偿的串行扩展卡尔曼滤波和互补滤波控制方案,并比较分析。4.基于光流技术,本文提出位置为零和速度为零两种悬停方案,并比较分析。本文的系统设计,通过基于开源嵌入式操作系统FREERTOS中的C/C++开发,采用STM32F409芯片作为主控芯片,并结合2.4G HZ的无线数据传输,使得四旋翼无人机能够接收控制指令。定点悬停的测试数据,可以在PC控制台上抓取,方便分析。经过反复测试,该四旋翼无人机在阵风复杂环境下,两种最优方案表现良好。同时可为各种室内外四旋翼无人机精准的,抗干扰的自动定点悬停方案,提供借鉴与参考。