倾转旋翼无人机是由多旋翼和固定翼复合而成的飞行器。它既能便捷的垂直起降又能以固定翼模式高效、高速飞行,因此有着巨大的应用前景。但是倾转旋翼机的复合结构带来了严重且复杂的耦合问题。一方面操纵结构冗余增加了系统能耗、降低了飞行效率;另一方面动力学耦合给飞行控制造成很大的困难。文章主要从飞机结构设计、操纵策略和飞行控制算法几个方面针对倾转旋翼机的飞行效率和控制稳定性问题进行研究。首先,确定倾转旋翼机的旋定翼分离式总体布局,设计机翼、旋翼动力系统和倾转机构等飞机部件。利用CFD技术进行数值模拟,分析机翼的空气动力学性能,计算得到升阻力系数分别为0.9310和0.05524。采集旋翼拉力与对应转速的数据,拟合计算得到旋翼系统的拉力系数为3.049×10^-5N/ω2。其次,采用多体建模方法分析倾转旋翼机各部件的动力学特性。利用MATLAB搭建仿真模型,并通过配平计算得到过渡走廊曲线。最后,分别设计倾转旋翼机在四旋翼、倾转过渡和固定翼三个飞行模式下的控制器。基于串级PID控制原理,设计四旋翼和固定翼模式下姿态角和位置通道的双闭环控制器。为提高四旋翼模式的抗干扰能力,在传统反步法基础上设计积分反步法控制器。针对倾转过渡模式的动态耦合特性,提出定高转换策略,设计增益调度条件,实现控制器切换。文中仿真结果表明,三种飞行模式下的控制器均达到了基本控制要求。相对于串级PID控制器,积分反步法控制器的抗干扰能力提高了近一倍。实验样机飞行实验表明,倾转旋翼机定高悬停的高度稳态误差约为0.2m,倾转过渡时间为8.6s,切换至固定翼模式时空速为17m/s。飞行结果证明,本文设计的倾转旋翼无人机在结构和控制系统上基本达到了设计要求,为今后的进一步研究和工程应用提供了有价值的参考。