随着微小型飞行器的发展,四旋翼无人机逐渐进入了普通大众的视野,由于四旋翼控制灵活、结构简单等众多优点,四旋翼在航拍、救援、安防等民用领域的应用越来越多,潜在的工程应用价值体现出了广阔的市场前景。虽然四旋翼的应用价值大,但也存在一些问题,例如在无GPS的山区和狭小的室内等区域四旋翼的控制效果会大打折扣,针对这些局限性,本文设计并搭建了四旋翼无人机的软硬件平台,对无定位系统时存在的漂移问题提出了图像光流测速算法,同时研究了四旋翼实际飞行时的姿态解算、姿态控制、位置控制问题,本文的主要研究内容和成果如下:1.分析四旋翼无人机的飞行原理、运动模式和结构,建立了描述四旋翼运动和受力分析的坐标系,将四旋翼的运动分为线运动和角运动两种方式,在简化条件下建立了四旋翼的动力学模型。2.设计了图像光流测速系统。针对室内无GPS等定位系统的辅助四旋翼较难控制的问题,提出了基于SAD块匹配的光流测速算法,并对四旋翼旋转运动时二维图像存在的误差作了旋转补偿,设计了图像设备和四旋翼之间的通信协议。经过实验测试,该系统能达到对四旋翼的水平漂移速度做出有效估计。3.研究了四旋翼实际控制问题。首先设计了四旋翼无人机硬件系统,针对姿态更新时陀螺仪的漂移误差提出了基于矢量叉积PID的姿态融合算法,实现四旋翼姿态角的准确解算。其次设计了基于串级PID的姿态控制算法和高度控制算法,实现四旋翼的姿态控制和高度控制。随后在机载图像处理系统的光流速度反馈下,设计了基于串级PID的位置控制算法实现四旋翼的悬停控制。4.最后针对四旋翼的水平漂移,设计了加速度光流卡尔曼滤波融合算法,利用卡尔曼滤波对加速度计难以观测的误差进行估计并消除,在此基础上融合光流速度得到更加准确的水平漂移速度,提高了四旋翼的姿态控制稳定性和位置控制精度。经过实际飞行测试,姿态控制、高度控制、加入光流的位置控制及经过卡尔曼滤波融合的悬停位置控制均达到了期望的效果。