四旋翼无人机是一种具有微小型、飞行机动性高、续航能力强、稳定性高等特点的可垂直起降的无人飞行器,具有很好的发展前景。随着科技的发展,软硬件技术以及控制技术日益成熟,四旋翼无人机也逐步朝着多功能化方向发展,并且在民用、商用和军用领域有广泛的应用,备受青睐。本文将四旋翼无人机作为课题研究对象,调研了其国内外的发展现状和研究成果现状,在前人总结的基础之上,设计姿态控制算法,并在具有外部扰动的条件之下进行了仿真实验验证其算法的有效性。研究的内容主要包括:(1)首先分析了四旋翼无人机的系统结构以及飞行原理,根据其原理建立其物理坐标系以及地面坐标系,选用欧拉角作为姿态角的描述,推导出载体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵。最后根据空气动力学特性以及飞行原理,建立了四旋翼无人机动力学模型。针对四旋翼无人机姿态控制中存在空气扰动、测量噪声等干扰的问题,本文在建立的四旋翼无人机动力学姿态模型中加入了外部干扰部分,并以此系统设计估计系统状态的比例积分观测器。同时也对估计状态误差进行了稳定性证明,进行仿真实验验证了该系统估计误差的稳定性。该方法的设计可通过部分状态的反馈对系统的状态进行估计,同时也能对系统未知输入的干扰进行估计,从而提高状态观测器的稳态跟踪精度,并且整个系统的设计计算简单,工程上也易于实现。(2)针对到四旋翼无人机的动力学模型不稳定,易受干扰影响的敏感特性,只能对其复杂的理论模型进行必要的简化分析。本文在加入外部干扰的四旋翼无人机动力学姿态模型基础之上引入滑模控制算法来增强系统抗干扰能力,解决系统鲁棒性的问题,通过推导证明以及仿真实验验证了该方法一定的有效性。然后针对传统滑模所存在的抖振问题结合反步法设计反步滑模姿态控制器,并进行了稳定性证明。通过仿真实验验证,反步滑模在一定程度上抑制了抖动现象。(3)在滑模控制器的设计中,有时为了抑制较大幅值的扰动,在设定控制器调节速度参数的时候,过高和过低则会引起较大的震荡误差以及四旋翼无人机系统的抗干扰幅值范围缩小问题。针对此问题,本文参考基于观测器的的控制器设计方法,将基于第三章中所设计的比例积分观测器设计滑模控制器。将比例积分观测器与滑模姿态控制器相结合,不但能通过比例积分观测器对系统的状态和系统未知输入干扰的进行估计,还能通过滑模控制器加强系统的鲁棒性和抗干扰性能。最后通过稳定性证明以及仿真实验验证了其有效性。