四旋翼飞行器因其结构简单、方便操控、机动灵活、可垂直起降等特点,得到越来越广泛的应用,具有重要的军用和民用价值。同时,四旋翼飞行器的动力学模型,具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等特性,使其成为控制领域比较典型的被控对象,越来越多的用于各种控制理论与算法的验证。首先,本文对四旋翼飞行器的研究与发展现状进行广泛细致的调研,主要包括控制算法、建模与辨识方法、传感器技术、视觉导航与定位技术、比较成熟的四旋翼飞行器实验平台以及开源的飞行器控制项目等。其次,根据四旋翼飞行器结构与机理特点,基于欧拉角姿态表达方法,从空间运动和旋转运动六个自由度,对四旋翼飞行器动力学模型进行分析,为接下来控制器设计提供依据。本文分别采用两种方法设计四旋翼飞行器的控制器。第一种方法,对四旋翼飞行器动力学模型进行线性化处理,为每个控制通道设计PID控制器。第二种方法,直接针对原始的四旋翼飞行器动力学模型,运用反步法设计非线性控制器。利用OS4 Simulator对两种控制器进行仿真与对比分析。此外,本文对四旋翼飞行器基于AHRS的互补滤波姿态解算方法,基于光流的运动估计方法以及基于超声波传感器的高度估计方法进行分析与研究,并分别给出实际实现形式。最后,以开源飞控项目Multiwii为基础,搭建四旋翼飞行器实验平台,完成室内条件下对四旋翼飞行器姿态控制、高度控制、定点悬停控制的实验。