无人机的自主导航能力是实现无人机自主跟踪和自主着陆的必要前提。随着图像处理,机器视觉算法的研究深入以及GPU和DSP硬件处理速度的提升,视觉导航技术受到越来越多的重视。尤其在复杂环境中,基于视觉的自主着陆和导航系统能够比其他传感器提早发现目标或障碍物,保证飞行安全,使其在军事侦查应用上具有重大优势。论文面向无人机单机自主控制中的核心技术,以四旋翼无人机为平台,研究基于视觉导航的自主跟踪和着陆控制技术,使其只依靠视觉,合作地标以辅助,实现无人机对目标的追踪及自主着陆,提高无人机在无GPS场景下环境感知和自主飞行能力。主要研究内容如下:1.以四旋翼无人机为飞行平台,针对跟踪着陆任务目标搭建了基于视觉导航的四旋翼无人机系统;通过室内无GPS环境飞行测试,验证了基于视觉导航的四旋翼无人机系统的可靠性及稳定性;同时建立了四旋翼无人系统的控制刚体模型,为飞行控制器设计提供了理论基础。2.对单目相机进行了相机标定操作以去除相机畸变,以Ar Uco（Augmented Reality University of Cordoba）标记基准系统生成二维码为基础设计跟踪合作地标,采用内外嵌套的二级地标作为最终使用的地标结构并对内外层地标的尺寸进行了寻优实验以提升无人机系统对地标识别的鲁棒性。最后对相对位姿估计理论进行了介绍并实施了相对位姿估计实验以确定系统位姿估计的可行性与精确性。3.基于相对位姿估计设计了具有内外环结构的飞行控制器,将位姿估计输出的期望数据转换得到实际控制无人机飞行的控制指令,控制器将经典PID算法与模糊理论结合作为控制器的控制算法;利用MATLAB/SIMULINK仿真平台对控制方法进行了仿真实验,结果表明,所设计的控制器可以实现对基于视觉导航的无人机系统的有效控制。