无人机是一种不载人的飞行器,其主要包含旋翼和固定翼以及混合翼几种类型。其中旋翼式无人机以其机动性强,结构简单,操作容易,体积小巧等优点被广泛应用于实际生活和科研中。旋翼式无人机中以四旋翼最为常见,本文以四旋翼无人机作为研究对象,搭建了完整的四旋翼无人机系统,包括了飞行控制软件的设计与研发,状态估计系统的设计与实现,地面控制站的研发。研究了基于自抗扰控制的姿态控制,提高了姿态控制的抗扰动性能和稳定性。文章研究内容主要包含以下几个方面。首先建立了四旋翼无人机的非线性数学模型。介绍了无人机所需的坐标系统,根据机体布局和操纵原理对四旋翼无人机进行受力分析,根据牛顿-欧拉方程建立了无人机的姿态动力学和位置运动学模型。然后搭建了包含飞行平台硬件,嵌入式飞行控制软件以及地面控制站软件三个部分的实物实验平台。硬件方面根据无人机的实验需求以及性能要求对各器件和传感器进行选型和组装调试。嵌入式飞控软件主要包含状态估计,姿态控制,通信链路设计,故障保护几个方面。地面站软件实现了在线实时状态监控和在线调参,地图显示以及航点设计,串口助手,三维状态显示以及传感器校正功能。其次设计了基于卡尔曼滤波器的状态估计系统,使用基于MEMS（Microelectromechanical Systems）的惯性传感器实现了姿态融合和位置速度融合系统。首先分析了IMU（Inertial Measurement Unit）的误差模型并进行了标定。然后介绍了基于四元数的姿态描述方法及其微分方程。接着设计了基于扩展卡尔曼滤波的分离式姿态解算系统和基于多速率卡尔曼滤波的位置速度解算系统。最后设计了基于自抗扰的姿态控制器。进行了仿真实验比较和实物实验,验证了自抗扰控制器的控制,并使用粒子群优化算法对自抗扰中的扩张状态观测器的多个参数进行优化,使扩张状态观测器取得了更快速的观测性能。结果表明所设计的控制器具有很好的扰动抑制能力,提高了系统的控制品质和稳定性。