多旋翼无人机因为具有机械结构精简且可靠、操控原理简单且稳定等特点而广受大众喜爱。虽然市场上多旋翼无人机（尤其是四旋翼）的功能越来越强大,比如变得智能、集群、专业等,但人们对飞行器的大机动运动情况下飞行姿态的相关研究不多。原因是目前市场需求不是甚高,但其潜在需求很大,并且可以从很大程度上减少所有者的财产损失并保证操作者及周边人员的安全。本文以四旋翼无人机为例,研究了飞行器的主动翻转控制,主要做了以下工作:首先介绍了多旋翼发展进程及多旋翼无人机的发展趋势。接着对课题来源进行了说明,对多旋翼飞行器系统的组成,所用坐标系和旋转矩阵等相关基础知识做了简要介绍。然后根据牛顿-欧拉公式对四旋翼飞行器建立了悬停控制时的动力学模型:在世界坐标系中根据牛顿第二定律建立位置环微分方程,在机体坐标系中根据旋转动力学知识建立姿态环微分方程。根据悬停特点选取外环PID和内环PD控制的双闭环控制方法,使用MATLAB的simulink工具包进行悬停仿真,并将此方法应用到实际四旋翼中,从仿真结果和实际控制效果可以看出,双闭环控制的悬停策略效果非常好,能达到悬停控制要求。最后建立了翻转控制模型,设计了优化三阶段控制策略并做了相应仿真和结果分析。当其中同一轴线上的两个电机转速始终相同时,可以将悬停模型简化为二维模型。将翻转过程分成三部分:前90°,后90°和中间180°。确保前后两阶段的转动力矩大小相等,方向相反,以保证最后机体旋转速度为0,调整升力的大小可以控制飞行器水平和垂直方向上的最终位置。仿真结果表明,优化三阶段方法可以达到期望的翻转控制要求。