四旋翼无人机已经被应用到航拍、电力巡检、侦察等领域。但是随着无人机应用的深入和任务场景复杂化程度的提升,在这些领域对四旋翼无人机的飞行稳定性和抗干扰能力的要求也越来越高。在这一背景下,本文以四旋翼无人机飞行控制系统为研究对象,从四旋翼无人机的控制建模、姿态估计、以及控制器的设计等方面进行设计优化和改进,开展四旋翼无人机姿态稳定控制算法研究,并在此基础上完成无人机控制系统软硬件方案的设计,能够实现对四旋翼无人机的飞行姿态稳定控制,提高四旋翼无人机的稳定性和抗干扰能力。具体工作如下:（1）本文选择四元数姿态解算算法来构建和求解无人机姿态问题,通过四元数姿态矩阵解算得到无人机当前的欧拉角。在无人机姿态解算的基础上,针对当前已有的方法在传感器直接测量的姿态角信息存在大量噪声的问题,创新性的提出了一种通过融合多传感器的冗余信息,来提高姿态角获取精确度的算法,通过该算法可以从输入端解决数据的干扰,为姿态控制器提供更加精准的传感器数据输入,从而提升飞行控制器的处理性能和效率。在此基础上利用无人机运动学和动力学相关原理,构建了一种新的无人机动态数学模型。（2）完成了无人机飞行控制系统方案的设计,分别从位置控制器、姿态控制器和控制分配器三个方面完成对无人机稳定控制系统的设计实现。在位置控制器中针对实际飞行过程中会产生姿态控制器不能接受的姿态角,本文设计了加饱和的PID控制器,避免因为过大姿态角使无人机发生坠机。同时对PID控制算法进行改进,采取串级模糊PID控制算法控制无人机姿态,减少系统的超调量,提高响应速度,增强稳定性和抗干扰能力,使控制系统能够更加平稳的输出。（3）完成了无人机飞行平台硬件软件实现,根据无人机飞行控制要求,选取合适的控制模块、姿态传感器模块、动力系统模块和通信模块完成无人机飞行平台硬件设计及组装。在Simulink平台中进行四旋翼无人机控制系统和动态模型构建,生成所需代码,最后将生成代码下载到Pixhawk飞行控制器中,进行硬件实验,实验表明串级模糊PID控制算法能满足无人机飞行控制需求,提高了无人机的稳定性。