近年来,随着科学技术水平的不断发展,人类开始重视对特殊环境作业机器人的研究。空中机器人由于活动领域广,地形限制小等特点,是特殊环境作业机器人的一类典型代表。四旋翼无人机是目前为止应用最为广泛的空中机器人,其具有高机动性、高效率、高适应性等特点,已经被广泛应用于军事和民商领域。目前,关于四旋翼无人机的控制研究已经出现了较多的理论成果,主要集中在如何提高控制的稳定性、快速性和抗干扰能力。然而在实际应用中,四旋翼无人机的控制面临诸如传感器测量值缺失导致控制失效、角速度超调导致姿态失衡、速度超调导致机体侧翻等问题。本文以四旋翼无人机速度受限下的姿态和轨迹跟踪控制方法为研究对象,主要研究内容按照问题提炼、模型分析、算法设计、实验验证的顺序逐步展开,主要取得了以下研究成果:针对四旋翼无人机在单惯性测量单元下的姿态测量值缺失的问题,提出了一种基于多惯性测量单元的抗干扰姿态控制方法。首先,采用多惯性测量单元网络估计各惯性测量单元的零点漂移。其次,设计了非线性观测器网络实现了各惯性测量单元的测量值同步。最后,设计了基于超螺旋滑模算法的抗干扰控制器,并进行了Lyapunov稳定性分析,实现了对姿态环外部扰动的补偿。针对四旋翼无人机姿态控制中的角速度超调问题,提出了一种角速度受限下的姿态控制方法。首先,建立姿态动力学模型,设计了引入姿态受限项的姿态环控制器。此外,为解决无人机实际飞行过程中扰动产生的控制偏差问题,设计了有限时间姿态扰动观测器和抗干扰控制器,并进行了Lyapunov稳定性分析,实现了角速度受限下的姿态控制。针对四旋翼无人机在实际飞行中的速度超调问题,基于双闭环原理设计了一种速度受限下的轨迹跟踪控制算法。首先,对无人机的位置控制环引入速度受限项,基于反步法设计了位置环的扰动观测器和抗干扰控制器。其次,通过对位置环输出解耦得到期望姿态角度,设计了姿态环的扰动观测器和抗干扰控制器,并进行了Lyapunov稳定性分析,满足了速度受限下的轨迹跟踪控制要求,为速度受限下的多无人机编队跟踪控制奠定了基础。针对四旋翼无人机编队控制中的速度超调问题,提出了一种速度受限下的多无人机编队控制算法。首先,设计了编队内跟随者无人机对领导者无人机的速度估计观测器。其次,基于领导者无人机状态估计和一致性理论,设计了跟随者无人机在速度受限下的位置环扰动观测器和抗干扰控制器。最后,将无人机位置环解耦获得姿态环期望输出,并设计了相应的姿态环干扰观测器和抗干扰控制器,实现了速度约束下的四旋翼无人机编队控制。