由于四旋翼无人机具有机动性好、安全以及廉价等优点,其市场得到迅猛的发展;被广泛的应用于航拍、灾后搜救、反恐监控以及国境巡航等各个领域。面对复杂的工作环境,无人机能否顺利完成任务的关键是拥有良好的控制系统和状态估计。然而四旋翼无人机的非线性、强耦合以及欠驱动的特点,使得其控制系统和状态估计滤波器的设计难度大大增加。本文在分析了四旋翼无人机研究现状和关键技术的基础上,完成了四旋翼无人机建模、控制算法和姿态估计算法的研究工作。首先,分析了四旋翼无人机的动力学特性,基于牛顿-欧拉方程建立了完整的四旋翼无人机动力学模型。该模型用四元数对无人机进行姿态解算,考虑了四旋翼无人机飞行时的平动空气阻力、转动空气阻力,并且将无刷电机转子、螺旋桨和机体看作多刚体系统。在Solidworks软件中,建立了无人机半实物模型以获得无人机惯性参数。其次,结合四旋翼无人机仿真模型,研究了在三种姿态反馈形式(欧拉角、旋转矩阵以及四元数)下姿态和位置的PID控制策略;完成相应的姿态控制系统设计,提出相应的位置误差转换到姿态误差转换策略,完成了位置的级联控制系统设计;仿真结果表明以四元数反馈时无人机的阶跃跟踪效果更好,而且具有控制器结构简单、姿态解算无奇点以及计算量少的优点。再次,在四元数反馈的模型基础上,研究了四旋翼无人机的自抗扰控制算法;导出四元数积分器串联方程,结合姿态误差四元数的意义,建立了四元数形式的矢量自抗扰控制系统;仿真结果表明在该控制系统下无人机的响应速度更快,鲁棒性能更强。最后,基于UKF对非线性系统的滤波原理,设计出了四旋翼无人机运动状态滤波器,对传感器数据进行预滤波处理;接着根据多传感器互补融合滤波方法,设计出基于加速度计、磁力计以及陀螺仪的互补滤波器。实现了四旋翼无人机实现了仿真环境下四旋翼无人机姿态的估计。