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四旋翼无人机(Unmnanned Aerial Vehicle,UAV)因其具有结构简单、可垂直升降和自由悬停等优点,在很多领域拥有广泛的应用前景。本文以四旋翼UAV为研究对象,建立其六自由度数学模型,并从姿态解算和姿态控制两个方面,研究并改进姿态解算算法和姿态控制方法,从而降低姿态解算算法的计算量,并消减内外扰动对UAV控制的影响;在分析和改进四旋翼UAV系统控制特性的基础上,设计并构建了四旋翼UAV飞行平台,并对该平台进行飞行测试。论文的主要工作可以概括如下几个方面:(1)提出了一种结合互补滤波的异步平方根中心差分卡尔曼滤波(Square-root Central Difference Kalman Filter,SRCDKF)算法。该算法对 SRCDKF算法中的时间更新方程和量测更新方程,进行异步迭代处理,并在时间更新方程中引入互补滤波,在保证迭代精度的同时,降低了算法的计算量。在姿态解算仿真实验中验证,结果表明该算法相比于SRCDKF算法,两者迭代精度相当,但在相同迭代步长前提下,其计算时间降低41.6%,显著降低了姿态解算算法的计算量。(2)提出一种基于线性扩张状态观测器(Liner Extended State Observer,LESO)的L1自适应控制算法。该算法采用LESO将系统未知扰动作为扩张状态进行观测,对系统内外扰动进行实时辨识并补偿,能够有效地克服L1自适应控制算法中对扰动辨识不准确的问题。四旋翼控制系统仿真实验结果表明,基于LESO的L1自适应控制算法在时变扰动的情况下,能够较好地估计时变干扰并抵消其影响,提高了算法的鲁棒性。(3)设计并构建了一种四旋翼UAV姿态控制系统。该系统以STM32F405为主控制器,MPU6000为惯性传感器,HMC5983为磁传感器。异步互补SRCDKF滤波算法对采集的姿态数据进行处理,得到可靠的姿态角,解析遥控器指令并结合姿态控制算法得到电机控制量,实现四旋翼UAV系统的姿态控制。在四旋翼UAV上测试该平台,实现了悬停等飞行模式。论文通过Matlab仿真实验,证明了所提四旋翼UAV姿态解算和姿态控制方法的有效性。设计实现了 UAV姿态控制系统平台,UAV实际飞行实验表明,所构建的四旋翼UAV飞行平台及其控制系统,达到了预期设计要求。