四旋翼飞行器不同于其它飞行器,主要体现在可垂直起降、机动性强及定点悬停,目前是军事领域和民用领域的研究热点,具有较高的科研价值和广泛的应用前景。四旋翼飞行器是一个多输入多输出非线性、强耦合的欠驱动系统,其中飞行控制器设计一直是科研人员研究的重难点。本文研究对象为跟踪地面移动目标的四旋翼飞行器,针对其模型的建立、姿态的解算、控制器设计、目标跟踪系统设计展开了研究。本文首先对四旋翼飞行器的物理结构特点和飞行控制原理进行详细研究,在对四旋翼飞行器选择坐标系时通过对比分析几种常用坐标系继而选择地理坐标系和机体坐标系,并求出从机体坐标系到地理坐标系的转换矩阵。通过牛顿欧拉方程将四旋翼飞行器六自由度运动分解为线运动和角运动,建立四旋翼飞行器的数学模型。根据实际应用需求对数学模型经过简化处理后得到最终的数学模型。然后对四旋翼飞行器的姿态信息解算进行研究。由于系统对实时性要求较高,本文在对四旋翼飞行器姿态信息进行表述时通过对比分析几种解算方法继而采用四元数法对四旋翼飞行器姿态信息进行解算。通过对MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器深入分析分别得出陀螺仪、加速度传感器、磁力计姿态更新方程。于是设计了滑动均值滤波算法和互补滤波融合算法分别对四旋翼飞行器的姿态信息进行解算,并通过MATLAB仿真验证其准确性和可靠性。随后,构造了四旋翼飞行器垂直运动通道、俯仰角通道、横滚角通道、偏航角通道的状态空间方程,求出各个通道的传递函数,然后分别利用单级PID和串级PID对四旋翼飞行器各个通道进行控制。最终通过MATLAB仿真验证了串级PID更加符合本文控制需求。紧接着本文搭建了基于PIXHAWK的四旋翼飞行器,并介绍了飞行器的各个部分的选型和功能,并验证控制算法的可行性。最后,研究并设计了四旋翼飞行器地面移动目标跟踪系统。本文采用基于Arduino UNO的两轮平衡小车作为地面移动目标,通过MAVLINK协议将小车上的GPS数据传输至四旋翼飞行器系统中,四旋翼飞行器在得到移动目标位置信息后立即飞往该指定目标位置,从而可达到对移动目标的实时跟踪。通过在实际环境中的试飞,本文设计的四旋翼飞行器可以满足要求,达到我们的预期效果。