近年来,旋翼无人机由于其独特的优势和广泛的应用场景而受到普遍的关注。传统多旋翼无人机的旋翼推力方向始终垂直于机体水平面而不能改变,这使得它们都是欠驱动系统,机体运动潜力被大大限制。因此,本文提出了一种新型三轴可倾转旋翼无人机,该三轴旋翼无人机采用了共轴双桨的设计,同时令每组旋翼可沿两个方向倾转,使其成为有九个控制变量的冗余过驱动系统。该三轴旋翼无人机可以将机体运动解耦为平动模态和转动模态,从而完成欠驱动系统所不能实现的飞行动作,例如定点悬停时不断变化姿态或者保持水平姿态时跟踪空间轨迹。本文研究工作与创新性成果如下:（1）提出了一种新型三轴可倾转旋翼无人机结构。本文在传统三旋翼的基础上,将每个轴设计为共轴双桨的形式以解决正反扭矩抵消的问题。同时,为了解决传统旋翼无人机系统欠驱动的问题,本文令每组旋翼可沿两个方向倾转,使机体变为有九个可控变量的冗余过驱动系统。本文详细介绍了机体结构和飞行模式,并根据动力学方程和运动学关系建立了模型。（2）在小姿态角的约束下,针对每组旋翼只有一个倾转方向的六可控变量简化模型,本文应用反步法设计了系统的整体控制律,并利用了一种非线性映射关系解决了控制分配问题。仿真结果证明了反步法和控制分配方法在该控制框架下的有效性,且控制效果优于传统PID方法。（3）针对每组旋翼均有两个倾转方向的九可控变量完整模型,本文应用反馈线性化框架结合PID控制方法和滑模控制方法设计了系统的整体控制律,并将扰动观测器整合进控制框架以增强系统抗扰动能力。同时,本文提出了一种可逆非线性映射关系并结合伪逆控制分配方法解决了该模型特有的冗余非线性控制分配问题。本文随后进一步讨论了将旋翼的推力和作为控制分配优化函数的情况,并给出了此情况下取最优解的必要条件。最后,本文就一般的可倾转多旋翼无人机系统的驱动特性给出了更完整的判定方法。本文通过对比仿真结果分析了几种控制方法的控制效果,并验证了本文所提出的控制框架以及扰动观测器的有效性。（4）验证了该过驱动无人机系统的微分平坦性,应用第四章得到的控制分配理论结果并基于微分平坦理论设计了轨迹平滑性和能量消耗两种代价函数来对轨迹进行生成与优化。最后,本文对两种轨迹生成方法的结果进行了比较:前者生成的轨迹在光滑性上更好,而后者生成的轨迹能量消耗更小。