旋翼无人机凭借其良好的机动性、平稳的操控性等优点在各个行业中都有着广泛的应用。但是,复杂的应用场景也暴露出目前旋翼无人机在续航方面的短板,大多数无人机持续工作时间不超过30分钟。人工充电费时费力,影响飞行工作效率,极大地限制了旋翼无人机应用范围与工作模式。因此,为解决上述问题,本文设计了一种旋翼无人机自主充电系统。本文首先以四旋翼无人机为代表,研究了其结构与飞行原理,根据参考坐标系分别搭建了四旋翼无人机的绕轴运动和平移运动数学模型;分析了四旋翼无人机的控制原理,为无人机的飞行参数整定及位置控制算法设计奠定了基础。第二,设计了基于单目视觉的自主飞行控制方案。单目视觉部分介绍了图像处理流程,选用了HARRIS角点检测进行特征提取,依据角点信息设计了目标识别算法,并设计了基于图像信息的相对位置信号输出方案;无人机自主飞行控制部分选用了基于DJI Onboard SDK的控制方案,介绍了Onboard SDK的基本定义与控制机理,设计了基于Onboard SDK的无人机位置控制算法,并依据前文的理论基础对无人机进行了控制参数整定。第三,设计了无人机电量管理方案。依据锂离子电池的充放电特性,搭建了电池SOC模型,并根据电量与最大飞行距离关系,设计了充电决策方案;完成了包括均衡模块与无线充电模块的电路设计。最后,为验证系统的可行性,首先通过图像处理实验验证了HARRIS角点检测算法的实时性与目标检测算法的准确性,又通过地面站平台,进行了基于单目视觉的无人机自主飞行控制实验,实验结果满足设计要求,证实了系统方案的可行性。