近年来,在全球化人工智能大浪潮的影响与无人机控制技术的日渐成熟下,无人机自主飞行技术在军事和民用等领域得到了大量的应用,而目标跟踪与自主降落是其应用的基础和关键技术。四旋翼无人机以其成本低廉,飞行稳定可靠等特点,成为无人机领域的研究热点。本课题结合装备预研项目,以四旋翼无人机为实验平台,主要研究其目标跟踪与自主降落问题,完成目标识别跟踪算法和自主降落算法设计,并进行仿真和硬件实验,验证算法的可行性。主要研究内容如下:首先,研究了四旋翼无人机的运动原理并对其动力学建模进行了概述。分析了“×”型结构四旋翼无人机运动原理。定义了相关坐标系,建立机体和惯性坐标系之间的变换关系。从牛顿-欧拉法角度对四旋翼无人机动力学建模进行概述,为设计目标跟踪控制以及降落轨迹跟踪控制奠定了基础。其次,研究了基于地面标志物的目标识别算法与目标跟踪控制算法。设计了基于地面标志物的视觉定位算法,采用计算机几何视觉算法构建了基于地面标志物的Pn P问题,运用了EPn P算法求解Pn P问题。通过生成随机仿真数据,对视觉定位算法精度进行了分析。运用了上层PID控制和底层几何姿态控制的控制策略,设计了基于地面标志物的目标跟踪算法。再次,研究了基于地面标志物的自主降落算法。介绍了微分平坦理论,用四维微分平坦输出表示了四旋翼无人机的状态量和输入量。研究了基于多项式曲线参数优化的降落轨迹规划算法。介绍了模型预测控制算法理论,设计了基于模型预测控制的轨迹跟踪控制模块。设计了分段降落策略,包括接近降落阶段和悬停降落阶段。接近降落阶段运用所设计的目标定位算法与轨迹规划以及跟踪算法负责接近降落目标,悬停降落阶段运用所设计的目标跟踪控制算法完成视觉悬停负责最终降落。最后,搭建了仿真与硬件环境并进行相应实验,验证了算法的可行性。介绍了ROS和三维仿真器Gazebo,搭建了ROS与Gazebo联合仿真环境。在仿真环境中,进行了基于地面标志物的目标跟踪和自主降落仿真实验。搭建了基于大疆M210V2的硬件平台,进行了基于地面标志物的目标识别、定位和跟踪实验。实验结果表明,四旋翼无人机目标跟踪算法和自主降落算法的设计是合理、可行、有效的。