四旋翼飞行器以其独有的非线性和欠驱动特性,已经成为近年来控制技术研究领域的热点。本文依托四旋翼飞行器为研究平台,基于单位四元数表述机体姿态信息,结合频域辨识的技术对模型参数做辨识工作,最后设计了基于反步法的几何特征位置外环控制器和基于反馈线性化的LQR(linear quadratic regulator)姿态内环控制器。主要工作有以下几个方面:1.分析旋翼的空气动力学。从宏观上使用动量定理计算旋翼的推力和扭矩,从微观上使用叶素理论分析桨叶剖面的受力情况,最后得到较为完整的旋翼空气动力特性。2.使用单位四元数表述机体姿态信息。单位四元数表述的姿态具备很多优点,尤其是在坐标旋转和变换方面。3.建立精确的数学模型是控制器设计的关键部分,文中建立了四旋翼飞行器的全状态非线性系统模型。4.对于模型之中的部分不可直接量测的模型参数做系统辨识,结合系统辨识和机理分析的方法,提高了所建立模型的精度。5.设计了基于反馈线性化的LQR姿态内环控制器。通过反馈线性化得到一个线性系统,之后利用LQR设计最优控制器,最终得到闭环系统的非线性控制器。6.基于反步法的几何特征位置外环控制器。依靠推力矢量的几何特征和反步法分析,设计非线性控制器实现位置信息到期望姿态的转换,最终实现位置闭环控制。