高原高寒地区由于基础设施差、环境恶劣等因素一直以来都是飞行器执行相关任务的巨大挑战,导致我国高原高寒地区边防哨所的物资运输以及医疗救援问题始终都是一大难题。针对高原高寒地区的救援运输需求,无人机需要满足垂直起降,一定载重,较大升限,抗干扰能力强等诸多要求,而现有无人机在各方面能力上无法全部满足,使得高原高寒地区的救援运输任务存在缺口,需要一种全新的平台来做支撑。故在以上背景下,本文设计了一种新型的基于推力矢量控制的垂直起降无人机,具有四个快速旋转的矢量喷管,此推力矢量系统具有较好的拓展性,能够同时提供垂直起降的升力和巡航推力,能够在复杂环境垂直起降,具有较大的载重能力和升限。本文主要从结构布局和推力分析、动力学建模、可控性分析、位置控制和姿态控制以及控制分配角度进行研究,并进行相关飞行试验验证。基于推力矢量控制的垂直起降无人机采用四发动机对称横置布局,在不同的运动状态下有多样化的操控方式。设计了矢量喷管的驱动系统,采用平行四连杆的驱动方式能够提高旋转速率同时保证舵机与喷管转角一致。针对喷管内流场进行了CFD仿真,估算出垂直转弯喷管的推力效率。介绍了飞控硬件平台及软件框架。为后续无人机建模研究提供了依据。在刚体假设下基于牛顿-欧拉方法建立了基于推力矢量控制的垂直起降无人机的运动学和动力学模型,详细推导了在低速条件下无人机所受力和力矩方程,分析了推力和推力矩项所产生的干扰力和干扰力矩,推导出简化动力学模型为后续控制系统设计提供参考。根据基于推力矢量控制的垂直起降无人机特点设计了三种控制方式,分析了其适用的场景以及对应的两种控制模式。推导了两种控制模式在悬停平衡点附近的小角度线性化模型,并基于线性系统能控性条件进行了可控性分析。结合PID原理和饱和函数法设计了三种方式所对应的位姿控制器,基于直接逆法、Levenberg-Marquardt算法和伪逆法分别设计了控制分配器,为后续飞行试验打下基础。研制了基于推力矢量控制的垂直起降无人机样机,并搭建了相关飞行试验系统。通过仿真验证了三种控制器的有效性,同时对比分析了不同发动机时间常数下三种控制器控制精度和时间常数敏感性。通过转台姿态控制试验,验证了五维力控制方法姿态控制的有效性;通过室内自由悬停试验,验证了五维力控制方法位置控制的有效性。