四旋翼无人飞行器是一种外型新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有结构简单、操作灵活、带载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值。本文在综述四旋翼无人飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上，根据四旋翼无人飞行器飞行原理，建立系统动力学模型，确定了系统组成和总体设计方案。首先根据设计方案自行制作飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，设计线性度良好、功率满足一定要求的的无刷电机驱动器，以满足四旋翼无人飞行器带载飞行需要。选取性能满足系统需要的微处理器、传感器和相关电子元器件，设计相关硬件电路，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成系统硬件设计。飞行运动姿态测量主要由航姿参考系统(AHRS)实现，姿态测量单元主要由惯性测量单元(IMU)和三轴磁传感器组成，针对其传感器的误差模型，设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)对飞行器机体姿态进行最优估计，从而得到载体的姿态和航向信息，为飞行器系统稳定飞行提供重要的反馈控制参数。四旋翼无人飞行器要实现稳定飞行是以平衡控制为前提的，由于该飞行器具有六自由度而只有四个控制量的欠驱动的控制系统，通过调节四个电机转速实现飞行器平衡稳定飞行，因此平衡控制是四旋翼飞行器运动中的关键。根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律，主要包括两个控制回路：姿态控制回路、位置控制回路。在Matlab中搭建飞行器仿真平台，通过仿真验证后将算法移植到ARM处理器中，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，为了满足四旋翼无人飞行器的稳定飞行控制的要求，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作。实验调试过程包括数据融合、平衡、鲁棒性实验，以此来检验相应算法的有效性。最终设计出能够实现遥控稳定飞行、具有一定的快速性和鲁棒性的四旋翼无人飞行器。