四旋翼飞行器因具有成本低、操作灵活、易于维护、适应环境能力强等特性,在军事和民用领域均得到了广泛应用。然而,四旋翼飞行器系统本身的欠驱动、非线性、强耦合等特点为其控制器设计带来了挑战。本文在研究四旋翼飞行器控制算法的基础上,进一步考虑了四旋翼飞行器集群的控制问题与容错控制问题。本文主要研究内容如下:首先,在建立两种常见构型的四旋翼飞行器非线性数学模型基础上,设计鲁棒自适应控制器来处理模型不确定以及未知的外部扰动,从而实现控制目标。针对位置环设计浸入与不变自适应控制器,在保证系统出色稳态精度的同时提高了暂态性能;针对姿态环设计基于扰动观测器的控制器来补偿未知扰动,并使用自适应边界律来抑制标称模型参数与实际模型参数间的误差,实现姿态的镇定。数值仿真与实验结果均表明所设计控制算法的有效性。其次,进一步地考虑了四旋翼飞行器在特定风扰环境中执行飞行任务的情况,建立了Dryden风扰模型。基于自适应内模原理,得到各子系统的误差动态。使用浸入与不变自适应律来补偿模型和扰动中的未知参数,并结合动态面控制方法设计鲁棒自适应内模控制器,使得闭环系统可同时对模型不确定与外部扰动具有鲁棒性。稳定性分析、数值仿真与实验结果均说明了所设计控制算法满意的性能。再次,将所设计的鲁棒自适应内模控制器拓展至多架受扰不确定四旋翼飞行器形成的集群控制中。基于代数图论知识,使用有向图来描述集群系统拓扑结构。考虑实际情况中并非所有子机能够获取集群系统的参考轨迹,则无法获取参考信息的部分子机通过自适应律来对参考信号进行在线估计。基于位置一致性误差,设计出分布式鲁棒自适应内模集群控制器,并通过稳定性分析保证了集群系统的一致性。数值仿真与实验均验证了集群系统的轨迹跟踪能力。最后,在考虑具有不确定执行器的四旋翼飞行器系统的基础上,建立执行器效率损失故障模型。针对姿态子系统和高度子系统分别设计了基于传统自适应方法和基于浸入与不变自适应方法的容错控制器,并针对水平子系统设计带有积分反馈的控制器来保证出色的跟踪性能。理论分析与稳定性证明说明了姿态子系统和高度子系统的渐近稳定性以及水平子系统跟踪误差的有界性。数值仿真和实验结果验证所设计的自适应补偿控制算法能够保证出色的系统性能。