四旋翼无人机具有垂直起降、定点悬停、机动性强、操作灵活等特点,现已被广泛应用到搜索营救、战场侦查、火场勘察、交通管制等军事及民用领域,引起了国内外学者以及科研机构的广泛关注,并迅速成为国际上研究的热点之一。作为一种典型的四输入六输出欠驱动系统,该特性使得四旋翼无人机在外形设计与加工制造的难度得到了有效地降低,但是在设计飞行器的控制系统时却要面临着很大的挑战。四旋翼无人机的姿态控制是飞控系统的核心和基础,是轨迹跟踪控制的前提条件,性能卓越的姿态控制是飞行控制的保障,对完成飞行任务具有重要意义。近些年来,广大科研人员对四旋翼无人机姿态控制进行了广泛和深入的研究,提出并设计了多种基于不同控制方法的控制方案。但是,四旋翼无人机的姿态动力学模型中存在着模型不确定性项、强耦合项、强非线性项等,同时在飞行过程中飞行器的姿态动力学模型还容易遭受外界不确定性外扰量的影响,这些不利因素使得已有的姿态控制方案并没有完全解决飞行器的姿态控制中存在的全部问题。因此,为保证四旋翼无人机能够完成姿态控制,以及提高姿态稳定性和控制效率,需要进一步研究高可靠性、高精度、强鲁棒性的姿态控制方案。本文针对带有内部不确定性项和外部扰动量的四旋翼无人机姿态控制系统进行了深入研究,并考虑不依赖系统全状态反馈和不依赖系统精确模型的条件下,基于非线性控制方法,设计了几种性能可靠的姿态控制方案,具体工作分为如下几个方面:（1）提出了四旋翼无人机姿态的反步滑模控制方法。首先,考虑在部分应用领域中,飞行器在飞行过程中姿态角变化很小或者处于悬停状态情况下,并充分考虑四旋翼无人机的飞行原理的基础上,推导并建立了基于欧拉角表示的四旋翼无人机姿态动力学模型。四旋翼无人机的姿态反步滑模控制方法由线性扩张状态观测器、反步控制方法、滑模控制方法组成。其中,线性扩张状态观测器用于观测飞行器姿态系统的状态量和扩张状态量,并将观测器的状态量应用到控制器设计过程中;最后,结合反步控制方法和滑模控制方法,完成飞行器姿态控制器的设计。稳定性分析证明了控制系统是渐进稳定的。仿真分析表明该方法提高了控制系统的精度和抗扰能力。（2）提出了四旋翼无人机姿态的自抗扰控制方法。由于反步控制方法存在“微分爆炸”问题,同时考虑控制的快速性和超调之间的问题,基于自抗扰控制方法,提出了四旋翼无人机的姿态控制器。该控制方法由安排过渡过程、非线性扩张状态观测器以及基于动态面控制方法的误差反馈控制器组成。其中,利用离散最速跟踪微分器来安排过渡过程;非线性扩张状态观测器用来观测姿态控制系统的状态量和干扰量;动态面控制方法利用一阶滤波器来计算虚拟控制量的导数,消除了“微分爆炸”问题,最后,应用扩张观测器的状态量,完成了四旋翼无人机的姿态控制器设计。稳定性分析证明控制系统是渐进稳定的,以及所有的闭环信号是一致最终有界的。仿真分析表明该方法提高了四旋翼无人机姿态控制系统的控制效率和鲁棒性。（3）提出了四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法。考虑四旋翼无人机在部分应用领域中需要做大角度机动飞行时,基于欧拉角表示的飞行器姿态方程会出现奇异值的问题,因此,采用单位四元数表示飞行器的姿态,并推导了基于误差四元数的四旋翼无人机的姿态动力学方程。四旋翼无人机的滑模延时估计姿态控制方法由全局渐进收敛观测器、延时估计方法、自适应滑模方法组成。其中,全局渐进收敛观测器用于观测系统的状态量,并且该观测器对干扰具有很好鲁棒性;延时估计方法用于估计姿态控制系统的干扰量,并补偿在控制器设计的控制项中;设计了自适应函数,用于降低滑模控制方法的抖振现象。稳定性分析证明了控制系统的误差是一致最终有界的。仿真分析表明该控制方案提高了姿态控制器的有效性和控制精度。（4）提出了四旋翼无人机姿态的动态面控制方法。在考虑基于误差四元数表示的四旋翼无人机姿态方程推导过程中需要多个坐标转换的问题,利用一个基于两个四元数的非线性函数表示误差四元数,建立了四旋翼无人机的姿态追踪误差方程。四旋翼无人机的动态面姿态控制方法由非线性增广观测器和动态面方法组成。其中,非线性增广观测器用于观测姿态控制系统的状态量和扩张状态量,该观测器具有对测量噪声不敏感以及抑制扰动等性能;利用观测器的状态量,基于动态面控制方法,完成了四旋翼无人机的姿态控制器设计。稳定性分析证明了控制系统是渐进稳定的。仿真分析表明该方法提高了控制精度和控制系统的鲁棒性。（5）设计了四旋翼无人机姿态试验平台。在对本文设计的控制方案进行了比较分析后,确定了试验平台的控制方案。制定了四旋翼无人机姿态控制试验平台的整体设计方案,并进行了需求分析。分别从机载部分和地面工作站讨论了飞行器姿态试验平台的硬件构成、设计流程以及功能实现。试验结果表明,试验平台满足设计目标的需要;提出的控制方案满足四旋翼无人机对姿态控制要求。