随着科学技术的发展,四旋翼飞行器逐渐应用到了民用、军事、科学研究等诸多领域中,它以其轻便、操纵简单的特性给人们的生活带来了便捷,以其小巧、灵活度高的优势给作战策略提供了新思路,以其非线性、欠驱动的特点给科学研究提供了新课题。然而四旋翼飞行器的应用与普及也引发了很多新问题:元器件老化、用户的不恰当操作等都可能导致飞行器发生故障,甚至发生飞行器伤人事件;飞行器开放的通信环境给不法分子带来了可乘之机,恶意攻击下飞行器失控或坠机都可能导致财产损失与人员伤亡。因此,四旋翼飞行器的故障与安全问题是一个重要课题。本文利用旋转矩阵的方法构建了四旋翼飞行器的动力学模型,并基于四旋翼飞行器的控制结构特点与所面临的问题具体开展了以下研究工作:（1）研究了四旋翼飞行器自适应变结构控制器的设计。基于对四旋翼飞行器控制结构的分析,将飞行器系统分为姿态内环与位置外环,构建了自适应观测器估计姿态环上的不确定性干扰,同时结合反步法与变结构控制的分析方法,推导出了各个运动通道上控制输入的表达式,并利用Lyapunov的方法证明了控制系统的稳定性;（2）研究了执行机构（电机）乘性故障下飞行器的容错控制方法。通过定义系统总扰动,将乘性故障和干扰集中分析,构建了执行机构乘性故障下飞行器的数学模型,并设计了有限时间ESO（扩张状态观测器）用来估计模型中的总扰动,同时在反步法变结构控制器中进行总扰动补偿,实现了飞行器的容错控制;（3）研究了FDI（虚假数据注入）攻击下飞行器安全飞行的策略。通过分析轨迹指令信号中的FDI攻击,给出了飞行器安全飞行的策略,并对比了FDI攻击与执行机构故障对飞行器影响的异同。同时设计了地面站上基于LMI的鲁棒自适应观测器,分析了反步法变结构控制下控制输入增量与攻击信号的数学关系,最终在轨迹指令信号上进行攻击信号补偿,保障了飞行器的安全飞行;（4）针对以上研究内容进行了仿真验证,给出了飞行器在不同飞行任务下的运动仿真结果,证明了以上研究成果的有效性。