四旋翼无人机因其机械结构简单、强机动性、可垂直起降等优良的特性在军事、商业等领域被广泛应用,而随着对其研究的不断深入,人们对四旋翼无人机飞行的安全性、稳定性、自主飞行能力等方面提出了更高的要求。但是由于四旋翼无人机是一个欠驱动、强耦合的非线性被控对象并且负载能力有限,因此对其飞行控制系统的研究成为重点。在对四旋无人机飞行机理进行分析的基础上,建立地面坐标系与机体坐标系对飞行器的位置以及姿态角进行描述,根据牛顿-欧拉公式建立飞行器数学模型。姿态的稳定控制是实现飞行器轨迹跟踪的基础,本文针对飞行器在动态环境中易受到扰动并且姿态角之间存在耦合的特点,使用线性自抗扰控制算法设计了姿态控制器,在Matlab/Simulink环境下的仿真结果表明,线性自抗扰控制器具有良好的姿态角跟踪能力与抗干扰特性。针对飞行器数学模型的非线性特点,设计了基于线性扩张状态观测器与反步法的双闭环轨迹跟踪控制系统,将动态面算法引入到控制器的设计过程中以避免传统反步法中存在的“微分爆炸”问题。仿真实验表明,在外界扰动存在的情况下所提出的轨迹跟踪策略能够实现准确的轨迹跟踪。设计并且完成了四旋翼无人机飞行控制系统的硬件与软件部分。以STM32F407微处理器为主控芯片,分别对惯性测量、电池管理、数据存储、PWM捕获与输出、无线数据传输模块进行设计。在Keil环境下进行软件开发,分别对程序初始化、传感器数据采集与处理、PWM输入捕获与生成等编写程序,然后在微处理器中进行功能实现。在Lab VIEW环境下设计了地面控制站,主要完成飞行状态的监控以及向飞行器传递控制参数的功能,避免了在调试过程中反复烧录程序的过程。最后以所设计的四旋翼无人机为实验平台进行测试实验,通过调试平台分别整定姿态控制器参数,并且进行姿态控制实验验证算法的有效性。最后进行悬停实验,实验结果表明,所设计的四旋翼无人机飞行控制系统能够实现稳定的姿态控制并满足飞行控制系统的设计要求。