随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的不断发展,使得具有成本低、体积小、抗干扰性强等优点的微处理器和惯性测量器(Inertial Measurement Unit,IMU)在四旋翼飞行器中得到广泛应用。姿态估计和控制系统是四旋翼飞行器设计和应用的核心环节。首先,针对四旋翼飞行器不同的飞行状态和环境,基于互补滤波算法设计了两种姿态估计算法。(1)当四旋翼飞行器在悬停或低速飞行状态下,设计了一种改进显性互补滤波姿态估计算法。该算法在加速度数据融合之前加入低通滤波器,并设置了姿态四元数缓存区,在提高了姿态估计精度的同时,减小了低通滤波器延时对姿态估计实时性的影响。(2)当四旋翼飞行器在高速或强机动飞行状态下,设计了一种动态权值共轭梯度的自适应互补滤波算法。该算法在共轭梯度法中加入了动态权值来抑制运动加速度的干扰,并将加速度计估计出来的姿态四元数与陀螺仪进行自适应互补滤波,消除了陀螺仪积分漂移引起的姿态估计误差。然后,针对四旋翼飞行器模型参数不确定、易受外部因素干扰等问题,将自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)技术引入四旋翼飞行器姿态控制系统中,设计了一种基于PID和线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)的角度-角速度串级姿态控制系统。最后,自主设计和搭建了四旋翼飞行器实验平台。针对气压计在空中易受到气流干扰以及加速度计对振动敏感的问题,设计了分离式的飞控模块,实现了缓震和抗风处理。基于所设计的四旋翼飞行器实验平台,完成了加速度数据延时时间的测量,并将本文设计的两种姿态估计算法进行性能对比实验,完成了静态测试、水平滑动实验及绕轴转动测试。实验结果表明了算法的可行性和有效性。