四旋翼飞行器因具有结构简单、成本低廉、可垂直起降等优点,在军用和民用领域均得到了广泛应用。四旋翼飞行器控制系统是四旋翼飞行器执行各类任务的基础,其实时性、高效性直接影响任务的执行质量。为提高四旋翼飞行器控制系统性能,本文主要围绕四旋翼飞行器控制系统在实际应用中的问题展开研究,设计四旋翼飞行器的控制系统,进而进行仿真实验和飞行实验验证控制器的有效性,主要完成的工作包括以下几个方面。首先,以四旋翼飞行器为研究对象,根据牛顿-欧拉方程建立其非线性数学模型,为研究方便,在低速、小角度飞行等合理性假设前提下将模型线性化并融合电机模型形成最终的数学模型。从应用角度出发,介绍了四元数表示姿态的方法。其次,分别采用串级PID控制方法和H_∞回路成形方法设计四旋翼飞行器控制系统,并进行仿真实验,数值仿真结果显示串级PID控制器响应时间较长,H_∞回路成形控制器超调量较大。为协调系统超调与响应速度之间的矛盾,本文基于自抗扰控制技术提出利用双曲正切函数作为微分跟踪器设计四旋翼飞行器控制系统,数值仿真实验证明了该方法的有效性。最终,在四旋翼飞行器平台上验证了最速梯度下降算法解算四旋翼飞行器姿态信息,以抑制单一使用陀螺仪的积分漂移问题,且验证改型后的自抗扰控制器的控制效果,实验结果表明了改型后的自抗扰姿态控制器的有效性和可实现性。