近年来,由于四旋翼无人机结构简单、机动性强、成本低等优点,其应用领域不断扩大,不再仅仅局限于传统的航拍,更在军民领域表现出极强的应用潜力,被用于执行各种飞行任务。四旋翼无人机飞行控制系统的设计,影响着其飞行性能,对实现自主飞行有着深远意义。随着飞行任务的复杂化,对飞控系统设计提出了更高的要求。本文基于非线性控制理论,对四旋翼无人机的姿态控制、轨迹跟踪等方面进行了研究。论文的主要工作与学术贡献如下:针对升力受限的四旋翼无人机提出一种组合滑模控制器设计方法,以解决实际飞行中四旋翼存在输入饱和、机体参数和结构不确定性等问题并实现其快速轨迹跟踪。首先,将四旋翼无人机模型划分为全驱动子系统和欠驱动子系统两部分。然后,全驱动子系统采用非奇异快速终端滑模控制方法,欠驱动子系统采用双幂次滑模趋近律的滑模控制,进一步提高收敛速度,提升动态运动品质,增强抗干扰和参数摄动的能力。最后,对子系统进行了收敛特性分析和Lyapunov证明。通过航点跟踪和连续轨迹跟踪的仿真实验,结果表明该控制方法的快速性、鲁棒性和优越性。针对外部大幅扰动下的四旋翼无人机的高精度轨迹跟踪问题,提出一种双环精确非线性轨迹跟踪控制器设计方法。首先,将系统划分为内外环控制结构。其次,外环采用基于fal函数的浸入与不变控制器,内环采用基于浸入与不变的自适应全局滑模内环控制方法进行设计,提高了系统的控制精度和抗干扰能力。最后,仿真实验结果表明该控制方法具有更快的收敛速度和更好的运动品质。