四旋翼无人机是一种可垂直起降、定点悬停、机动性强、成本较低且性能优良的无人驾驶飞行器,其在军事侦查、城市交通、灾害搜救等领域均有着良好的实际应用性和广阔的发展前景,拥有独特的研究价值与工程意义。四旋翼无人机具有非线性、强耦合、干扰敏感等特性,因而其数学模型的建立、飞行姿态信息的获取以及控制器的设计都成为了研究的难点。本文在总结前人工作的基础上,针对上述问题展开分析与探讨,基于四旋翼无人机实验平台建立非线性动力学模型,并重点研究姿态估计的多传感器数据融合算法与飞行控制方法。首先,以四旋翼无人机在机械和控制方面的需求为准则,设计机体、硬件系统与软件系统。在机体方面,完成了材料的选择与机体结构的设计；在硬件系统方面,采用模块化的思想完成了微处理器、传感器、执行器等功能模块的选型；在软件系统方面,介绍了双微处理器的任务分配与软件流程以及传感器数据的采集与处理。其次,定义四旋翼无人机飞行坐标系,选取欧拉角描述姿态,进而阐述其飞行原理。在分析机体结构特征和旋翼动力学特性的基础上,根据牛顿欧拉动力学方程,建立六自由度非线性动力学模型。再者,针对四旋翼无人机的姿态估计,设计基于四元数和扩展卡尔曼滤波器的多传感器数据融合算法。在分析多传感器测量数据特性的基础上,融合陀螺仪、加速度计和地磁计的测量数据解算出飞行姿态角。仿真结果验证了该算法的有效性。最后,对四旋翼无人机的六自由度非线性动力学模型进行合理简化与参数辨识,得到解耦的线性模型。并针对该线性模型,设计基于模型参考滑模控制的姿态控制器和高度控制器。仿真结果表明所设计的控制器具有良好的性能。