四旋翼无人飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行，其具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性等复杂特性。四旋翼无人飞行器研究内容涵盖了制造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等多种高、精、尖技术，因此对四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都有着十分深远的意义。本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先，介绍四旋翼无人飞行器涉及的关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括四旋翼无人飞行器的机械结构、控制系统硬件和软件设计，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。其次，对四旋翼无人飞行器进行力学分析，并根据系统实际结构建立其动力学方程，得到系统传递函数，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。第三，针对四旋翼无人飞行器数据采集处理，通过无线串口的方式将数据发送到上位机，并在LabVIEW中搭建数据采集平台，运用卡尔曼滤波对加速度和陀螺仪传感器进行数据融合，获得飞行器姿态原始数据和较好的姿态融合数据。第四，依据四旋翼无人飞行器的系统仿真模型，通过Matlab中的Simulink模块，分别对姿态回路PI控制算法、姿态和位置回路的PID控制算法和积分分离PID控制算法进行了仿真，验证了控制算法的有效性。最后，在实验室环境下，通过系留实验，验证了四旋翼无人飞行器控制系统设计方案和姿态、位置控制算法的可行性，并提出改进意见和方法。