四旋翼起源于1907年，最早时各种技术都不够成熟，发展较为缓慢。时至今日，由于它具有独特的优势，有着巨大的应用价值和广阔的发展前景。由于四旋翼直升机具有强耦合特性，且为非线性系统，这使其飞行控制系统设计较为复杂。另外，四旋翼机体的体积较小，在其控制系统中用到的传感器均为体积小巧的MEMS传感器，这些传感器都存在一定的误差，所以除了需要有良好的控制算法之外，对传感器测量得到的数据进行融合也显得格外重要。本文对以上这两方面的关键问题进行了重点研究。在文中首先介绍了四旋翼飞行器的基本飞行原理以及课题后续工作需要用到的基础知识。之后按照目前飞控系统通常所使用的内外环控制方式，分别设计了飞控系统内外环的控制律，其中外环用于控制位置，内环用于控制姿态。本文利用鲁棒与完全跟踪控制的思想研究了直升机外环位置控制问题，同时采用非线性的控制方法状态相关黎卡提方程求解了内环姿态控制律。在完成了算法理论推导的基础之上，利用Matlab/Simulink软件对这两种算法分别进行了仿真验证，并且通过仿真给出了四旋翼无人机悬停及轨迹跟踪的位置与姿态的控制效果，证明了内外环控制算法的有效性。本文还建立了四旋翼无人机飞控系统的硬件实验平台，并对所使用的传感器进行了标定，在硬件平台上进行了大量的实验工作。另外文中对互补滤波和卡尔曼滤波两种姿态数据融合的方法进行了研究，并在实际的四旋翼飞控系统中进行了实验，对比发现卡尔曼滤波用于姿态数据融合有着更好的效果。