四旋翼无人机的优点使其在军用、民用领域具备很大的应用潜力。可以被应用于快递投放、地形测绘、植保等场合,也可以作为灾难救援、生化取样等高危作业的执行平台。但目前无人机载重太小,而且四旋翼无人机是典型的欠驱动、多输入多输出(MIMO)、强耦合非线性控制系统,其姿态稳定性控制始终都是制约其发展与应用的难题。针对此问题,本文以实现四旋翼无人机的水平姿态自稳及高度自稳,并提高悬停状态下的抗干扰能力为目标,对大负载四旋翼无人机样机搭建、无人机动力学建模及控制算法设计以及控制系统开发几个方面进行研究。本文首先进行大负载四轴飞行器样机的搭建,完成控制系统和动力系统的硬件选型,以及整个样机材料、尺寸和模型确定。其次,为了获取所选择的旋翼特性参数,搭建了一套测试平台,并基于LabVIEW完成上位机测试软件程序的编写。然后,建立四旋翼无人机的数学模型,并对模型进行简化和解耦处理,根据解耦后的模型,运用串级PID控制器对姿态和定高进行控制,接着通过仿真进行验证。最后,介绍控制系统软件部分以及如何搭建程序编译平台,并且将前面所做的研究整合进行程序二次开发,替换控制算法进行飞行实验。根据飞行实验数据结果,分析控制系统的动静态特性及抗干扰性能。根据飞行实验结果,证明了本文所开发大负载四旋翼飞行器设计内容可行性和控制模型以及控制算法的有效性。