Qball-X4无人机系统是由加拿大Quanser公司开发的实时控制与仿真实验平台。四旋翼无人机具有多变量、强耦合及欠驱动的特性。其飞行控制可以通过PID控制、状态反馈控制和非线性控制等控制策略实现。本文的主要目的是设计和实现Qball-X4的实时路径跟踪控制。主要研究内容与创新可概括如下：(1)从整体上对系统进行分析,包括Qball-X4的结构、受力分析和力矩分析。利用牛顿-欧拉法建模,推导出Qball-X4六自由度非线性模型。针对室内飞行控制特点,对模型近似和化简推导出线性化模型。(2)以线性化模型为被控对象,设计了PID控制器来实现实时路径跟踪控制,PID增益是通过LQR优化方法得到。搭建仿真系统验证控制效果,并且将所设计的控制器应用于实际飞行控制系统中,验证所设计的控制器可以实现控制目标。(3)针对传统PID控制器增益不可调节的缺陷进行改进,设计了增益调度PID控制器,增益调度算法采用的是基于T-S模糊推理的模糊控制算法。然后,对改进后的控制方案分别进行仿真和半实物仿真。(4)以非线性模型为被控对象,把控制系统分成位置控制和姿态控制两个子系统,由位置控制器输出来修正姿态系统器给定输入。设计了积分型滑模控制器。搭建仿真系统,其中控制器和被控对象模型都是由S-函数编写的,针对仿真过程中出现的抖振现象,采用指数趋近律法进行改进,并通过仿真验证所设计的控制器可以实现控制目标。