近年来,四旋翼无人机由于结构简单、质量轻、灵活性强等优点在军用和民用两个方面得到了广泛的应用,也因而具有广阔的研究前景。但是四旋翼无人机是一种具有非线性、多输入多输出、强耦合特点的欠驱动系统,这给飞行控制系统的设计工作带来了很大的难度。本文主要针对四旋翼无人机的姿态控制系统进行探究,旨在设计让无人机稳定飞行且性能优异的无人机姿态控制器。具体的,对串级PID控制和自抗扰控制算法展开研究,再根据自抗扰控制器的缺陷,提出改进的自抗扰算法,设计了一种新型的无人机姿态控制器。利用数值仿真工具MATLAB/Simulink进行仿真实验并在后续进行了无人机定点悬停试验,证明了改进后的自抗扰控制器具有良好的稳定性和抗扰性。本论文的研究内容包括:首先,分析了四旋翼无人机的发展和国内外的研究现状,并对其姿态控制算法进行探究,确定本文主要的研究方向。然后对四旋翼无人机的总体结构和工作原理展开了详尽的分析,采用四元数表示姿态信息,将MPU6500传感器获取的姿态数据经过Mahony互补滤波算法解算,获得精确的实时姿态数据。再根据空气动力学理论和牛顿-欧拉法对四旋翼无人机进行力学分析,推出四旋翼无人机的动力学模型和运动学模型。其次,结合串级PID算法和自抗扰控制算法的原理,根据四旋翼无人机的特性,分别设计了串级PID控制器和自抗扰控制器,并在无人机数学模型的基础上,利用MATLAB/Simulink对其进行了姿态、位置跟踪实验,结果表明,自抗扰控制器相较于串级PID控制器有着更优的姿态跟踪性能和抗扰性。再次,针对自抗扰控制器存在的“总扰动”实时估计效率较低及补偿扰动后容易产生振荡的问题,提出并设计了改进型自抗扰控制器,即在控制系统中引入了高阶滑模观测器与改进的非线性函数。仿真对比实验表明,改进型自抗扰控制器能很好的解决传统自抗扰控制器存在的问题,提高了四旋翼无人机的姿态控制稳定性和抗干扰能力。最后,介绍了四旋翼无人机飞行控制系统的组成以及各部分间的相互联系,并搭建了四旋翼无人机实验平台,通过四旋翼无人机定点悬停实验验证了改进型自抗扰控制器在实际飞行环境下对无人机姿态控制的有效性和优越性。