四旋翼无人机具有尺寸小、机械结构简单、运动自由等优点,已被广泛用于街景影视拍摄、监控巡察、电力巡检、环境监测、农业保险、快递配送等领域。四旋翼无人机吸引了许多学术研究人员,但是研究中最大的挑战是控制器设计。本文从四旋翼无人机硬件系统和软件系统着手,设计满足稳定性和鲁棒性要求的轨迹跟踪控制算法,同时处理了系统受到环境参数变化带来的扰动。控制器设计是四旋翼无人机硬件系统中最重要的部分,通过对比多厂家的同类芯片以及综合考虑芯片的性能参数,最终选用内核为Cortex-M4的STM32F407VGT6主控制器芯片,并给出主控制器外围电路的设计。惯性测量单元(IMU)选用MPU6050元件,用于测量机体坐标系的三轴角加速度和线加速度。选用HMC5883L磁力传感器测量地球磁场,无人机的高度信息通过MS5611芯片测量。对于硬件系统电源管理模块和无线传输模块给出了详细的设计方案。四旋翼无人机软件系统的研究采用模块化设计,给出了各模块芯片驱动程序的设计。基于四旋翼无人机非线性模型,利用扩展卡尔曼滤波器对四旋翼无人机飞行姿态进行数据融合,从而解决各传感器数据不能同步更新的问题,以保证四旋翼无人机安全平稳的飞行。由于原始非线性模型不易进行控制器的设计,本文通过反馈线性化方法将其转化为线性可控的模型,随后利用成熟的线性控制理论进行控制律的设计以实现轨迹跟踪,同时借助Matlab数值仿真验证该控制器的有效性。最后对四旋翼无人机进行了实物飞行,验证了本文研究的四旋翼无人机硬件系统、软件系统以及相应的控制算法的有效性,实现了对四旋翼无人机姿态的稳定控制。