四旋翼无人机是种结构对称、机动灵活的飞行器,可通过分别控制四个旋翼的转速,实现各种飞行姿态,包括垂直起降和空中悬停等多种特殊飞行姿态,在军事和民用市场有很大的应用前景。但由于其非线性、多变量、耦合性以及欠驱动等特性,大大增加了研究难度。本文基于Quanser公司开发的Qball-X4无人机在控制器设计相关问题上做了研究和分析。首先,本文分析了四旋翼无人机的结构特点和飞行机理,然后结合Qball-X4的自身参数建立了其非线性动力学模型。根据室内小角度飞行的特点简化模型,并分析了四旋翼无人机动力学模型具有的一些特性。其次,利用线性二次型调节器(LQR)调节PID控制参数的方法设计控制器。以线性模型的状态空间形式为被控对象,加上LQR-PID控制器构建由位置和姿态角组成的双闭环回路控制系统。为了能在控制器中引入积分器,减小系统的稳态误差,本文建设性的在模型中添加了一个状态量。接着在仿真环境下做了悬停飞行和螺旋上升飞行实验,验证了该控制器的飞行性能。再次,考虑实现飞行环境的复杂性,提高控制系统的鲁棒性,研究了H_∞回路成形控制器设计方法。这种方法是建立在对范数、系统正规化互质因子不确定性以及鲁棒性进行定量数学描述的基础上,通过整形系统开环频率特性曲线来保证闭环控制系统的鲁棒性能及控制品质的一种设计方法,这种方法能很好的实现系统鲁棒性能和鲁棒稳定性间的折中。最后对降阶后的控制器做了仿真实验,各性能指标均达到预设目标。最后,简要介绍了Qball-X4四旋翼无人机系统平台,重点介绍了OptiTrack摄像头标定生成三维空间的步骤和Simulink/QUARC系统的组成,然后基于该平台做了半实物仿真实验,验证了文中控制器在实际环境中的可行性,并对位置和姿态角的跟踪性能做了分析。