目前,国内消费级无人机市场发展迅速,其中几乎都是四旋翼飞行器,因为四旋翼飞行器可垂直起飞或降落、对环境的要求不高、适应能力较强。然而,随着飞行器使用越来越广泛,其续航时间短的缺点愈加显著。本文研究的就是一种结合了四旋翼飞行器可垂直起降优点和固定翼飞行器续航时间长优点的垂直起降飞行器——双旋翼尾坐式垂直起降飞行器,主要研究内容如下:首先,对于这种具有新型结构布局的垂直起降飞行器,由于其空气动力的复杂性,本文基于六自由度刚体飞行器的运动方程组,采用参数学习方法估计作用于飞行器的空气动力和力矩,完成飞行器数学模型的建立。然后,由于飞行器具有垂直飞行模式、水平飞行模式和两者之间的过渡过程飞行模式,飞行过程中存在大角度机动,传统的欧拉角姿态描述方法存在奇异现象因而不适用于该飞行器,本文建立了四元数姿态误差表示和解析倾斜-扭转姿态误差表示。为了完成对飞行器完整飞行过程的控制,本文对飞行器在平飞和垂直飞行模式下的纵向姿态模型进行线性化处理,并设计模型参考自适应控制律,结果表明飞行器的俯仰通道能够很好地跟踪系统输入。对于飞行器在纵向平面内的过渡过程飞行模式,考虑到飞行器在俯仰通道的控制力矩输入要求较高,而双旋翼尾坐式垂直起降飞行器的升降副翼偏转容易饱和,因此本文基于解析倾斜-扭转姿态误差建立了最优姿态控制方法。基于最优控制的姿态控制方法主要利用双旋翼推力差所产生的力矩来实现大姿态误差的调整,可以避免升降副翼控制力矩容易饱和的现象。最后,为了验证飞行器过渡过程性能,设计过渡过程期望轨迹,结合所建立的数学模型和最优姿态控制律完成控制系统设计与仿真。