共轴双旋翼飞行器相比于传统固定翼无人机,具有悬停效率高、结构紧凑和气动特性对称等优点,能够在狭小的空间实现垂直起降,起降落时对场地的需求较低。但共轴双旋翼飞行器的系统复杂度高、耦合性强,加大了飞行器模型建立的难度。国内对于整机模型的建立和飞行控制的资料不够丰富。针对上述问题,本文对共轴双旋翼飞行器的姿态控制展开研究。本论文首先通过三维建模软件完成了共轴双旋翼飞行器样机结构设计,通过机械加工和部分零件的采购组装了试验样机。根据共轴双旋翼飞行器的运动学和动力学建立了六自由度数学模型,阐述了数学模型相关参数的获取方法。针对共轴双旋翼飞行器姿态解算算法,分别介绍了飞行器姿态的三种表示方法和它们各自的优缺点,以及各个传感器的工作原理,为了提高姿态角解算的精度,利用多传感器数据融合,分别设计了互补滤波算法和卡尔曼滤波算法。针对共轴双旋翼飞行器姿态控制系统设计问题,本文综合考虑PID控制器(Proportion Integration Differentiation Controller,PID)简单和可靠性强等优点,在此基础上进行积分分离和抗积分饱和算法优化,提高系统性能。为了提高共轴双旋翼飞行器姿态的控制精度,在传统PID算法的基础上增加角速度控制变量,采用串级PID控制器,使系统实现无超调控制,提升系统稳定性和抗干扰性。将已设计的串级PID姿态控制算法写入到嵌入式飞行控制系统中,将串级PID参数整定完毕的试验样机进行飞行试验。仿真和试验结果表明,本文设计的串级PID控制算法,能够有效的对共轴双旋翼飞行器姿态进行控制。