微小型四旋翼无人直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降无人机,具有重要的军事和民用价值。本文在综述微小型四旋翼无人直升机的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上,针对其独特性能,重点研究其数学建模、非线性控制以及非线性状态估计问题,主要研究内容和成果包括:首先,针对自行设计、制作的原型样机,建立旋翼空气动力学、动力系统动力学模型,推导出微小型四旋翼无人直升机动力学模型,并将之变换为仿射非线性形式。其次,针对微小型四旋翼无人直升机的欠驱动特性,基于反步法(Backstepping),设计微小型四旋翼无人直升机飞行控制系统,利用Lyapunov方法证明其稳定性,并通过仿真实验对算法有效性进行了检验。再次,针对系统的直接驱动部分,设计自抗扰控制器(ADRC),进行姿态增稳和飞行高度控制;针对系统零动态,设计PD-ADRC双闭环控制器,以实现悬停飞行控制,并利用Lyapunov方法分析其稳定性;此外,还通过仿真实验验证了算法有效性。最后,基于平方根UKF滤波方法进行微小型四旋翼无人直升机状态估计,并给出了仿真结果。