四旋翼无人机因反应灵敏、体积小、价格低且几乎能在任何场合下起降,在军民领域都得到了大量的使用。然而,因四旋翼无人机应用场合的特殊性,经常受到未知干扰的影响而难以设计精确、高效的控制系统。自从自抗扰控制技术被提出以来,由于它能有效地控制具有非线性,时变和未知干扰的不确定系统,而被广泛应用到四旋翼无人机。同时,扩张状态观测器作为自抗扰控制器的核心,因能够估计系统的总和扰动,其运行机理被研究者进行了大量的分析和改进。但是,大多数研究者都是通过选择非线性误差函数和其参数设定等方面提高性能,对其结构的改进却很少。因此,本文基于偏差理论对自抗扰控制器进行分析,发现扩张状态观测器存在稳态误差高、参数选取困难等问题,针对这些问题进行了其结构上的误差修正变换,设计了一种改进型自抗扰控制器并应用于四旋翼无人机的控制系统设计中。本文主要开展以下几个方面的研究。首先,针对四旋翼无人机建模问题。分析了四旋翼无人机的结构和飞行原理,根据四旋翼无人机的实际情况做出合理的假设,按照欧拉动力学和质心运动定理对其进行动力学模型的推导,得到其动力学方程式。为了解决四旋翼无人机动力学模型欠驱动的缺陷,引入虚拟变量并利用数学的方法对四旋翼无人机的模型进行改变,使其变成了全驱动模型,并引入出了位置环和姿态环。其次,针对四旋翼无人机的模型特征及控制策略。以二阶非线性系统为例,对自抗扰控制方法进行阐述。介绍了自抗扰控制器的原理和构成,并详细的介绍了跟踪微分器、扩张状态观测器、非线性误差反馈率以及扰动补偿四个部分的作用。然后,从偏差理论对扩张状态观测器进行分析,发现其存在稳态误差高、参数选取困难等问题,并从结构上进行了误差修正变换,设计了改进型扩张状态观测器。再次,针对四旋翼无人机的姿态控制问题。将姿态控制系统分为四个通道,并分别用改进型自抗扰控制器进行控制,重点以滚转通道为例,推导了具体控制器的设计,并从姿态跟踪、悬停、外力和风力干扰测试多方面进行了控制器的仿真验证。仿真结果证明了在对四旋翼无人机的自主控制上,改进型扩张状态观测器的观测精度优于传统型扩张状态观测器。最后,针对四旋翼无人机内外环不同的控制需求。对静止误差要求较高的位置控制系统采用了反步控制器,利用参数调节以减少位置控制的误差;对抗干扰能力、快速性要求高的姿态控制系统采用了改进型自抗扰控制器,使得实时姿态能够准确、快速跟上期望姿态,通过设计内外环不同的控制器实现了四旋翼无人机的轨迹跟踪。