垂直起降无人机具有巡航速度快、航时长等优点,同时也能够垂直起降、空中悬停,可实现一体化执行复杂应用场景的任务。尾座式垂直起降无人机属于垂直起降无人机的一种,其具有机械结构简单,过渡飞行模式的转换方式更易实现、可靠性强等优点,备受军用与民用领域的关注。目前,尾座式垂直起降无人机的研究主要集中在无人机结构设计方面,控制理论方面的研究较少,无人机悬停姿态控制精度低、抗风性差,飞行模式转换不稳定等技术难点还没有彻底解决,制约了垂直起降无人机的推广和应用。为了解决上述问题,本文设计了一款尾座式垂直起降无人机,从结构设计和控制算法两个方面对尾座式垂直起降无人机进行了优化改进,主要研究工作如下:为了提升尾座式垂直起降无人机的飞行品质,首先对尾座式垂直起降无人机进行理论分析,提出了无人机的设计方法,从翼载荷、功重比、机翼、起飞重量、动力系统等方面进行详细分析选型与参数选择,设计了无人机的系统参数。在此基础上,建立了尾座式垂直起降无人机的坐标系,并基于运动学和动力学方程建立了无人机的六自由度非线性数学模型。针对尾座式垂直起降无人机悬停模式下控制精度低,易受风扰的问题,对传统的PID控制进行优化改进,提出了自抗扰-PID内外环控制系统对无人机悬停时的位置和姿态进行控制。首先详细分析了无人机在悬停模态下的运动原理,设计了串级PID控制器和自抗扰-PID控制器,通过Matlab/Simulink仿真实验对比串级PID控制器与自抗扰-PID控制器的控制效果,证明了自抗扰控制器提高了尾座式垂直起降无人机悬停模式下位置和姿态的控制精度和抗干扰能力。为了解决尾座式垂直起降无人机过渡飞行模式转换速度慢和高度变化不稳定的问题,对无人机过渡模式的飞行控制策略进行了深入研究,创新性地提出了最快模式转换定高控制策略。通过Matlab/Simulink仿真实验分析对比了经典PID控制策略、最快模式转换控制策略和最快模式转换定高控制策略的飞行效果,所提出的最快模式转换定高策略优化了转换速度和高度变化两个飞行参数,保持无人机在模式转换过程中竖直方向的受力平衡。实验结果表明,最快模式转换定高控制策略解决了尾座式垂直起降无人机模式转换时的掉高难题,能够保证无人机在过渡模式快速平稳地实现飞行模式转换。最后,搭建了无人机的原理样机并进行了实际飞行试验,所设计的尾座式垂直起降无人机俯仰角与滚转角控制精度可以达到±3°,偏航角的控制精度可以达到±5°,飞行模式转换时间为2.3s,转换过程中最大的高度变化为1.5m,试验结果表明该无人机具有悬停姿态控制精度高、抗风性强、和转换飞行过程速度快、高度变化小的特点。