四旋翼无人机具有能够垂直起落、机动性强、操作简单等特点,有着巨大的发展潜力和研究价值,由于四旋翼无人机对于硬件要求较高,因此在最初并没有引起足够重视。近年来,随着微电子技术和导航技术的发展,四旋翼无人机得到了广泛的关注,被越来越多地应用于各种军事和民用领域。四旋翼无人机的模型具有欠驱动、强耦合、非线性等特点,传统的控制方法已经难以满足其控制要求。本文首先分析了四旋翼无人机的机体结构与运动方式,定义了地面坐标系和以机体为基准的坐标系,选用欧拉角描述机体的姿态并推导出两坐标系之间的转换方程,然后通过牛顿-欧拉公式得到了系统的运动方程,进而得到了系统的数学模型;考虑到数学模型中的强耦合性,将四旋翼无人机整体控制系统分解为位置-姿态角子系统与高度子系统,分别对两个子系统设计了控制器;反步控制对于非线性系统具有一定效果,因此引入反步法来设计了四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统,针对反步控制中对虚拟控制量求导困难的问题,应用一阶低通滤波器来获取虚拟控制量的微分,并融合了自适应控制方法以消除系统未建模动态和未知扰动影响,为抑制时变扰动,采用线性自抗扰控制方法设计了轨迹跟踪控制器,然后使用自抗扰控制中的线性扩张状态观测器结合反步法设计了新的控制系统。本文针对四旋翼无人机模型中存在不可测未知扰动的问题,设计了结合反步法与线性扩张状态观测器的轨迹跟踪控制器。通过Lyapunov稳定性定理证明了系统的稳定性,在Matlab/Simulink平台搭建了控制系统的仿真模型,不同算法的仿真对比显示所设计的控制方法对未知扰动具有较强抑制能力,能够有效地提高系统的稳定性。