四旋翼无人机技术的飞速发展使其具有广阔的应用前景。针对四旋翼模型中存在的非线性强耦合以及干扰,设计出高性能的控制算法成为研究者关心的问题。稳定以及抗干扰能力强的控制算法可以提高四旋翼无人机的飞行性能。本文根据动力学知识和牛顿运动定律,考虑欧拉角速度与机体角速度之间的转换关系,建立了四旋翼无人机非线性动力学模型。本文在完成四旋翼硬件平台搭建的基础上,通过测量和实验来获得四旋翼模型参数,并基于Simulink搭建了四旋翼仿真模型。本文基于PID控制原理设计了四旋翼串级PID控制系统。由仿真结果可知,串级PID控制器能够取得较好的期望跟随及稳定控制效果,但是,不能对四旋翼模型中存在的耦合进行很好的抑制,同时,当在系统中加入扰动时,控制性能明显变差,无法保证飞行器的稳定控制。通过对四旋翼无人机模型中存在的非线性和耦合的分析,本文将四旋翼姿态模型的每个通道表示为串级系统,考虑欧拉角速度与机体角速度之间存在的非线性耦合关系。针对每个串级系统设计串级ADRC姿态控制器,系统中存在的非线性耦合以及外界干扰分别通过内外环的两个扩张状态观测器进行观测,最后通过非线性状态反馈环节进行补偿。同时,本文设计了 ADRC高度控制器。由仿真结果可知,本文设计的串级ADRC姿态控制器在系统中存在耦合以及外界干扰时能达到很好的控制效果,ADRC高度控制器能够很好地抑制外界扰动。最后,基于本文搭建的四旋翼开发环境编写PID控制算法与ADRC控制算法。通过飞行实验对比本文设计的PID控制算法与ADRC控制算法的控制性能,验证了本文设计的ADRC控制结构优越的控制性能。