四旋翼无人飞行器已经在航空摄影、电力巡视、包裹投递,情报侦查、巡逻警戒等领域逐步得到应用,它具有小巧灵活、成本低廉、可垂直起降、可空中悬停等优点,本课题以军用机场和雷达阵地的环境监测为应用背景,以设计一种通用可靠的四旋翼飞行器平台为目标,完成了飞行器建模,并对传统建模方式的不足进行了改进,实现了控制算法仿真、软硬件电路的设计与改进、实验系统搭建等工作,重点分析四旋翼飞行器导航与控制方面的技术难点,并提出了相应的解决方案,论文的主要研究内容如下:1.在传统建模思路下构建数学模型,结合飞行环境做相应的力学分析。同时提出了传统模型的缺陷,即加速度计在横滚和俯仰方向的测量值不为零,并基于叶素理论进行了推导验证,同时在新的改进模型下,设计了基于卡尔曼滤波器的姿态估计方法。2.以获得的四旋翼无人飞行器运动模型为对象,分别设计了内环姿态控制回路和外环位置控制回路,并通过Simulink仿真实验来验证控制方案的可行性。同时总结了控制参数整定的一般方法,并基于手机APP,完成了一个以蓝牙为通信方式的快速调参系统的设计。3.选用ATMEGA328P芯片,在ARDUINO平台上,建立控制核心单元。首先基于MPU6050设计了姿态测量单元,并对加速度计进行减震和标定处理;完成了电子罗盘HMC5883的硬件电路进行了设计,依据椭圆补偿理论对测量误差进行了补偿;设计了气压计的温度补偿流程并讨论了超声波模块的测距计算方法,同时以MAX7456芯片为基础设计了视频叠加系统,实现了飞行信息与视频信息的融合。搭建以ATmega8为芯片的电子调速器,并针对无刷电机在初始运行中的问题,设计了换相与启动策略。4.通过实验对MEMS惯性器件的精度进行了测试,设计了一种基于扩展卡尔曼滤波器的组合导航系统,将惯性导航与GPS、地磁、气压计等传感器数据进行融合来估计飞行器的姿态和位置。在搭建试验平台后,为了验证其性能情况,分别完成了室内试验、室外跑车和飞行试验,并对结果进行了分析,验证了设计方案的可行性。