小型四旋翼飞行器是一种结构对称、操作灵便、能载重悬停的无人机,在民用领域与军事领域方面扮演着越来越重要的角色,正被无所不能地应用着,例如气象、勘测、交通、植保、航拍、电力等。本文以小型四旋翼飞行器为研究对象,围绕其姿态解算、姿态控制,开展了小型四旋翼飞行器的设计与实现研究工作。首先对飞行器的结构特点与飞行原理进行了阐述,定义了坐标系,根据牛顿-欧拉法建立了数学模型。假设飞行器为刚体、忽略空气阻力及螺旋桨质量小和体积小等因素对模型进行了简化。接着,分别利用PID控制算法和Backstepping控制算法,设计了姿态和高度控制器,并搭建了仿真平台,通过仿真对比分析了PID控制算法与Backstepping算法的控制效果。然后,根据加速度、陀螺仪与磁力计在频域上的特性,结合四元数姿态解算,设计互补滤波器以提高姿态解算的准确性。其次,设计了基于STM32F10X微处理器的小型四旋翼飞行器,包括微控制器模块、无线通信模块、电源模块、姿态测量模块、高度测量模块及执行器模块。基于Keil软件完成了各个模块的软件实现。最后,完成了飞行实验,验证了Backstepping控制效果优于PID控制效果,即响应速度更快,控制精度更高。