四旋翼无人飞行器是一种具有垂直起落结构的新型无人飞行器。与固定翼无人机相比,能够完成定点定高悬停、低空飞行、3D飞行等飞行任务;与直升机相比,又具有较弱的陀螺效应,机械结构要求较低,控制简单等优势。近年来,已经受到广泛关注。四旋翼无人飞行器能够完成定点悬停、垂直起降、室内飞行等任务,在军用和民用领域拥有巨大的应用前景,近年来成为了国内外研究的热点。本文在已有技术的基础上,通过自制的四旋翼无人飞行器平台,对四旋翼数学模型和姿态控制问题进行研究。设计基于滑模变结构控制理论的多种四旋翼无人飞行器姿态控制器,并对其进行仿真和实验。论文的主要工作如下:首先,本文对四旋翼无人飞行器的工作原理和其数学模型进行研究。分析四旋翼产生姿态变化的动作过程并以四元数姿态描述法对其进行姿态描述,建立飞行器的控制系统模型。其次,设计四旋翼无人飞行器姿态控制器。在系统简化模型的基础上,设计了基于滑模变结构控制理论的姿态控制器,针对变结构控制中的抖振问题,对所设计的姿态控制器进行了改进:指数趋近律法、变边界层法、非奇异终端滑模方法和二阶滑模方法。并在MATLAB环境中对设计的控制器进行仿真分析。然后,搭建系统硬件平台。从飞行器主控系统、姿态信息采集系统、电机驱动系统以及无线通信系统四个主要子系统对系统的构成、元器件的选型以及直流无刷电机的控制等问题展开研究。最后,利用本文设计的四旋翼无人飞行器平台,对设计的控制器分别进行实验验证。最终的实验结果显示本文设计的姿态控制器可以使飞行器平稳飞行,能快速稳定的跟踪期望姿态,达到了设计要求。