四旋翼飞行器结构简单、方便携带组装、造价低,同时具有飞行灵活、功能多样的特点。它在军用与民用领域获得了深入的开发应用,产生了巨大的经济效益,并且这种趋势依然在不断增长。在此背景下开展四旋翼飞行器的研究具有重要的实际价值,而四旋翼飞行器能够灵活精确的执行各种任务的关键在于飞行器的控制系统。因此,本文基于四旋翼飞行器是非线性、欠驱动、强耦合系统的这一特点,在调研了四旋翼飞行器的国内外研究现状、当前主要的控制方法之后,开展了四旋翼飞行器控制系统的设计、仿真、制作、调试和现场飞行实验等一系列工作。首先,本文介绍了四旋翼飞行器的两种结构和飞行原理,阐明了两种坐标系之间的转换方法,为四旋翼飞行器数学建模打下基础。而后对线运动和旋转运动分别进行力学分析,得到四旋翼飞行器的数学模型。其次,在对PID、反步法、自抗扰控制(ADRC)三种控制方法原理进行分析的基础上,根据四旋翼飞行器的控制特点和数学模型,分别设计了对应的串级PID控制器、反步法控制器、串级ADRC控制器。同时,针对串级ADRC控制器参数过多,参数整定耗时费力且难以取得一组最优参数值的问题,提出了一种改进的粒子群算法,将该算法与串级ADRC控制器相结合,实现对串级ADRC控制器参数的优化以及对四旋翼飞行器的高性能控制。通过Matlab/Simulink仿真对三种控制器的控制性能进行评估与对比,证明了它们的有效性且串级ADRC控制器比串级PID控制器具有更优越的控制性能。最后,为验证上述PID控制方法在实际飞行中的有效性,搭建了四旋翼飞行器平台。本文以APM开源飞控为中心,对四旋翼飞行器的硬件进行选型、组装和调试优化,对软件的开发工具、代码架构、程序流程等进行分析,通过软硬件结合并调试四旋翼飞行器最终验证了PID控制器的有效性。