作为无人机监控系统的关键技术之一,对动目标的识别与跟踪技术是通过视觉手段获取动目标图像,并设计算法对动目标进行实时识别与跟踪,估算动目标的位置、运动轨迹等信息,可作为无人机执行飞行决策的重要依据。本文在空中机器人大赛实现目标跟踪的基础上,设计了一套四旋翼无人机动目标跟踪控制系统,旨在优化姿态估计算法和图像处理算法,降低系统运算时间,提高目标跟踪的实时性。首先,为搭建四旋翼无人机目标跟踪硬件系统,规划了硬件系统总体设计结构,并对硬件系统提出了需求。在此基础上,将硬件系统分为飞行控制系统和视觉跟踪系统,并完成了硬件模块设计与选型。其次,研究了目标跟踪算法与软件设计。重点阐述了基于核相关滤波的目标跟踪算法,该算法利用循环矩阵求解岭回归问题,将傅里叶对角化引入岭回归求解过程,大大提高了计算效率。同时,在线性回归的基础上引入核函数,提高了分类器的性能。另外,对于目标框尺度固定问题,运用一维尺度滤波器自适应估计目标尺度的变化,有效地提高了目标识别的准确度。软件系统采用了一种将相对位置误差作为航迹回路输入的PID控制律结构。然后,为实现四旋翼无人机的稳定跟踪控制,本文基于梯度下降法,设计了一种高精确度、高运算效率的快速姿态估计算法。该算法采用四元数描述,通过算法融合处理陀螺仪、加速度计、磁力计的数据,实现姿态角的精确估计,并通过试验验证了该算法的可靠性。最后,对目标跟踪算法进行性能评估与飞行功能验证。整合软硬件设计,开展了全系统的上电功能性检测与飞行环境测试。分析了静态和动态两种跟踪试验数据,结果表明,本文设计的四旋翼无人机目标跟踪控制系统具有稳定飞行能力,可实现对动目标的高精度实时跟踪。