旋翼飞行器具有垂直起降和空中悬停等优势,与固定翼飞行器相比,旋翼飞行器更便于执行复杂地区的救灾和目标监视等任务。四旋翼飞行器具有结构简单、机动性强、飞行方式独特等特点,在军、民用领域应用前景广阔。四旋翼飞行器的非线性、欠驱动和强耦合的特点给控制系统设计带来了极大的挑战。因此,四旋翼飞行器引起国内、外各科研院所和专家学者的广泛关注,并成为验证复杂控制算法的有效平台,是国内、外研究热点之一,具有很高的工程意义和学术研究价值。传统研究主要采用经典控制算法实现四旋翼飞行器小倾角范围内近似线性模型的姿态稳定控制。本文从四旋翼飞行器六自由度无奇异建模出发,采用滑模变结构控制(SMVSC),解决四旋翼飞行器大倾角、非线性姿态模型控制问题。通过对不同常规趋近律的滑模变结构控制算法研究,设计出相应的滑模变结构控制器。针对常规指数趋近律的不足之处,采用模糊控制算法改进指数趋近律,解决参数不可变的弊端,设计出趋近速度快、振抖作用小的新型滑模变结构控制器。最后,搭建实物平台,验证算法可行性。首先,分析四旋翼飞行器机械结构和工作原理,选择四元数为数学基础,详细推导并建立四旋翼飞行器的六自由度非线性数学模型,给出系统状态空间方程。该模型彻底避免欧拉角万向锁问题,实现飞行器姿态全角度建模。模型表明四旋翼飞行器运动特性具有非线性、欠驱动和强耦合性。该模型是后续工作的基础,为控制器设计和仿真验证提供平台。然后,以实现四旋翼飞行器姿态控制为目标,分析各类变结构控制特点,选择趋近律的滑模变结构控制,设计出基于等速趋近律、指数趋近律和幂次趋近律三种常规趋近律的滑模变结构控制器,分别通过仿真验证控制效果,并分析仿真结果,指出各控制器优点和不足之处。进而,针对常规指数趋近律参数不可变引起的振抖幅度和趋近速度无法兼顾的问题,采用模糊控制的方法改进指数趋近律,设计出参数可变的变指数趋近律。根据该变趋近律设计滑模变结构控制器,通过仿真验证该方法能有效提升趋近速度、降低系统运动过程中的振抖作用。最后,在控制算法基础上,完成四旋翼飞行器实物平台搭建。选择高性能嵌入式微控制器和九轴数字运动处理系统,完成硬件电路设计;利用上述控制算法,结合已有姿态解算方法,编写飞控程序,完成飞行器数据计算和控制算法执行任务,在实物平台上,验证算法可行性。