近年来,无人驾驶飞行器已在各种领域得到广泛应用。与传统有人驾驶飞机相比较,无人机具有尺寸小、使用方便、机动性强等优点。但是受限于尺寸、载荷等问题,无人机的在很多应用场景下不能满足很高的鲁棒性需求。所以,本文主要针对小型旋翼无人机的控制问题进行理论推导与仿真和实验验证,对现有无人机的控制系统进行改进与完善,使其具有良好的鲁棒性能。主要研究内容如下:本文通过对常见四旋翼的控制流程分析,将飞行控制系统分为内环控制和外环控制两部分。在内环控制中,针对模型不确定、输入积分饱和以及存在不可测量干扰等测量有限条件,分别设计了基于标准积分的PID控制器,基于有界积分的PID控制器以及基于UDE干扰估计器的鲁棒控制器。并根据四旋翼飞行器的工作原理与力学分析,建立理想状态下的运动学模型,并以此搭建MATLAB/Simulink仿真程序,仿真验证各控制器的有效性。搭建四旋翼物理实验平台与三自由度直升机仿真验证平台,通过飞行实验验证算法鲁棒性能。在外环控制中,针对缺少必要测量数据信息等情况,通过基于视觉的运动捕捉系统为无人机提供相应的测量数据,并通过计算机为无人机搭建外环控制系统,通过飞行试验验证外环控制器的鲁棒性能。通过仿真与实验分析,在相同的实验条件下,基于标准积分的PID控制器与基于有界积分的PID控制器均可以保持无人机稳定飞行,当存在不可测量干扰情况下有界积分控制具有较好的鲁棒性能。基于UDE的鲁棒控制器在三自由度直升机平台上,针对不可测量的恒力与变力干扰表现出较强的鲁棒性能。在无人机内环控制稳定的情况下,通过增加外环控制系统,可明显增强无人机鲁棒性能。