四旋翼飞行器是国内国外研究的焦点,其构成简单,应用价值广泛,同时又无需高昂的成本。在四旋翼的相关研究中,如何实现对四旋翼的良好控制是基础且关键的一环。随着相关的研究越来越多,各种四旋翼的控制方法层出不穷,对应解决四旋翼飞行中的种种实际问题。本文针对执行器受限的四旋翼无人机系统的位姿控制问题,设计了两类嵌套饱和控制器,并对其进行了仿真模拟和实验验证。结果表明,所设计的控制器能够有效镇定四旋翼无人机系统。具体内容有:本文运用牛顿力学分析理论,基于自上而下层层建模的方式建立了包含动力单元模型、控制效率模型、动力学模型、运动学模型的四旋翼数学模型。在该模型下,各部分的输入输出关系明朗,为之后建立仿真模型、搭建实验程序奠定了基础。首先基于线性化后的四旋翼模型,针对俯仰通道和滚转通道设计了嵌套饱和控制律,并对该控制器进行了仿真测试。仿真结果表明,嵌套饱和控制器能够局部镇定原非线性系统,与传统的串级PID控制器各有优劣。其次在上述仿真测试的基础上,进一步开展了基于台架四旋翼装置的实物实验,实验结果验证了控制器的控制效果。通过对不同初始误差情形的实验测试,结果表明该控制器在初始误差小的情况下能够镇定四旋翼系统,但在初始误差较大的情况下控制效果欠佳。最后针对初始条件选取范围小的问题,设计了基于非线性四旋翼模型的嵌套饱和控制律。该方法在合理假设下能够全局镇定原非线性系统,即该控制律能从合理的大角度偏差出发镇定控制四旋翼无人机。本文对该方法进一步进行了仿真测试和台架装置实验,结果均验证了所提方法的有效性。