四旋翼飞行器和固定翼飞行器相比,有着结构简单、成本低廉、控制灵活等优势,因此广泛应用于军用和救援、航拍、测绘等民用领域。然而四旋翼在实际应用时存在着一些问题,例如四旋翼本身传感器噪声、机体抖动和外部干扰等因素会对其姿态和位置控制产生影响,使其抗干扰能力减弱、控制精度降低,甚至会造成四旋翼不稳定,针对这些外部扰动和内部噪声扰动,自适应、滑膜、鲁棒等传统控制方法很难使其有效解决,本文在自抗扰控制的基础上设计了反步自抗扰控制算法,进而分别设计了四旋翼的姿态和位置控制系统,进行了软件仿真和硬件平台实验验证,取得了令人满意的控制效果。本文主要的研究工作和成果如下:1.介绍了四旋翼飞行器控制算法的研究现状和成果,着重介绍了自抗扰控制算法。分析了四旋翼的飞行原理和运动方式,建立了运动坐标系,推导出了带干扰条件的四旋翼平移运动和角运动的动力学模型。2.针对外部扰动造成四旋翼飞行器姿态控制系统偏差大、精度低的问题,设计了四旋翼的姿态控制系统。在自抗扰控制算法扩张状态观测器和过渡过程的基础上,引入反步法来设计非线性反馈控制率,提出了反步自抗扰控制算法,以四旋翼系统模型为对象,以横滚姿态角通道为例设计了反步自抗扰姿态控制器,通过实验对照选定反步自抗扰中三阶微分器环节。考虑控制器参数难以整定的问题,给出了整定方案。最后提出了四旋翼姿态系统控制方案。3.针对测量噪声和外部风力扰动造成四旋翼飞行器位置控制偏差大、精度低的问题,设计了四旋翼的位置控制系统。在位置控制外回路中,对于高度控制和水平位置控制,分别设计了高度和水平位置串级PID控制器,提出了加速度计超声波卡尔曼滤波融合算法和加速度计光流模块卡尔曼滤波融合算法,利用卡尔曼滤波来估计和消除传感器的观测误差,得到更为精确的位置和速度数据。最后设计了四旋翼基于外回路PID、内回路反步自抗扰控制的整体位置控制系统设计。4.在MATLAB仿真平台上对姿态控制系统进行了干扰条件下的对照仿真实验,在四旋翼硬件平台上对位置控制系统进行了定点悬停、轨迹跟踪和鲁棒性实验,实验结果验证了所提出控制方案能够提高四旋翼控制控制精度和抗干扰能力。