四旋翼无人机是一种能够垂直起降的微型无人驾驶飞行器,因其外形小巧、性能卓越、简单易操作等优势,四旋翼无人机在空中侦察、灾区救援、电力巡检和摄影航拍等领域具有广泛的应用前景。由于四旋翼无人机自身具有非线性、强耦合、欠驱动等特点,因而其动力学模型的建立、飞行姿态信息的获取以及控制算法的选取和控制器的设计都是研究的难点。针对上述问题,本文在分析了四旋翼无人机动态性能之后,分别针对风场干扰、变负载和不对称未知负载三种情况进行研究,主要研究内容如下:首先,选取地面坐标系和机体坐标系并推导出二者之间的转换关系。分析了四旋翼无人机基本飞行原理,通过Newton-Euler方程建立了六自由度非线性动力学模型,通过设计虚拟控制量的方法处理动力学模型,解决了欠驱动强耦合问题,并构建内外环控制方案。其次,针对风场下四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法展开深入研究,分析自然风场的变化特性,建立相应的数学模型,设计一种新颖的PID型非奇异快速终端滑模(PID-NFTSMC)控制算法完成位置环和姿态环控制,采用有限时间扩张状态观测器(FTESO)估计风场造成的影响,保证四旋翼无人机在风场下安全飞行并具有良好的跟踪精度.然后,针对变负载下四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法展开深入研究,分析四旋翼无人机携带的负载随时间变化时对系统的影响,根据Newton-Euler建模方法建立了变负载下四旋翼无人机的非线性动力学模型,利用自适应径向基(RBF)神经网络对四旋翼无人机系统总质量以及模型的非线性函数进行整体逼近,并采用非线性阻尼函数对神经网络的逼近误差以及外界干扰进行补偿,结合动态面控制设计一种变负载下四旋翼无人机轨迹跟踪控制器。最后,针对不对称未知负载下四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法展开深入研究,分析四旋翼无人机携带不对称未知负载时对系统的影响,根据Newton-Euler建模方法建立了不对称未知负载下四旋翼无人机的非线性动力学模型,设计基于自适应非奇异快速终端滑模控制方法(ANFTSMC),但是该控制器的设计需要预先知道负载的质量与形状,模型不确定项以及外界干扰的上界值,这些参数都是非常难获取的,为了解决这一问题,结合模糊系统对控制律进行逼近,保证不对称未知负载下的四旋翼无人机具有良好的跟踪精度。