四旋翼无人机是一种可垂直起降、定点悬停、性能优良的无人飞行器,在军事、工业及民用领域均具有重大的实用价值和广阔的应用前景。本文以四旋翼无人机地面目标跟踪系统为研究对象,设计了图像序列的目标跟踪算法和地面跟踪控制站,并在此基础上设计了无人机跟踪控制算法。首先,针对四旋翼无人机跟踪地面目标的特殊要求,对机体设计、跟踪算法设计和控制器设计进行了需求分析。在此基础上,对机体和机载硬件系统分别进行了设计,实现了基于四旋翼无人机的跟踪平台。其次,对四旋翼无人机地面目标跟踪系统进行了分析和数学建模,主要包括四旋翼无人机的动力学模型、地面目标模型和机载相机模型的建立,为控制器的设计和计算无人机与地面目标间的相对距离奠定基础。再次,针对机载相机所捕获的含有目标及其周围环境的图像序列,采用基于角点的双向光流跟踪器和卡尔曼滤波跟踪器相结合的方式,设计了图像序列的目标跟踪算法,在测试集上的运行结果表明所设计的目标跟踪算法具有良好的性能。随后,基于反步法和比例-积分-微分控制设计了四旋翼无人机的跟踪控制器,并通过坐标变换得到无人机与目标之间的相对距离,以此作为所设计的跟踪控制器的参考输入。仿真结果表明,所设计的跟踪控制器性能良好。最后,基于MFC库和OpenCV库设计了地面跟踪控制站,主要包括地面跟踪控制站的界面设计、串口通信模块设计、数据显示及存储模块设计和视频模块设计。