无人机通常是指无人驾驶,可以利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器,主要包括固定翼式和旋翼式两类。固定翼式无人机飞行器的技术已经比较成熟,与之相比旋翼式无人机的研究还并不充分,但旋翼式无人机具有很多不可替代的优势,如垂直起降能力;悬停、倒飞、侧飞等更多的飞行姿态;环境适应能力更强。其中,小型四旋翼无人机作为一种常见的旋翼式飞行器正受到越来越多的关注,成为近年来国内外的研究热点。本文设计完成了一套四旋翼无人机自主飞行控制系统,成功实现了四旋翼无人机在悬停状态下,滚转角、俯仰角和水平方向位置共四个自由度的自动控制,并通过飞行实验验证了本文中提出的设计。本文的主要内容包括以下三个方面:(1)设计了自主控制系统的硬件架构。在充分考虑了四旋翼无人机的特性和负载能力的前提下,本文选择了符合要求,性能较好的四旋翼飞行器本体、机载控制器、机载传感器,并对四旋翼无人机的遥控信号进行分析,完成了控制信号的转换过程,解决了机载设备间的串口通讯问题。(2)设计实现了非线性控制算法。在分析四旋翼无人机的数学模型特点的基础上,针对其欠驱动、非线性、强耦合的特点,设计了内外环控制算法,将非线性系统分解为两个线性子系统,两个系统间通过非线性关系连接,其中外环控制飞机位置,内环控制飞机姿态,两个线性子系统均采用PD控制,并用C++程序完成了控制算法的实时实现。(3)完成数值仿真和飞行实验。文中介绍了控制程序的基本流程,对控制算法进行了MATLAB/Simulink数值仿真,验证了控制算法的可行性,然后进行了悬停飞行的实时控制实验,并给出实验结果,四旋翼无人机能以较小的误差实现悬停飞行,达到了较好的控制效果。本文的难点在于如何将理论的控制算法与实际的硬件系统结合,并完成飞行实验。