四旋翼无人机因其机动灵活、可垂直起降以及适应特殊复杂环境下飞行等特点而备受关注。近年来被广泛应用于军事、工业和民用领域,尤其在航拍、空中巡检和目标识别追踪等方面的应用更为显著。这些应用要求无人机具有一定的自主飞行导航能力。同时,复杂飞行环境意味需要有更好的飞行控制系统保证无人机的稳定飞行。无人机飞行时通常会受到外界环境各种因素,尤其是风场的影响。为确保飞行稳定,实现无人机在环境变化时飞行轨迹和姿态的快速调整就变得很重要。显然,有必要对不稳定飞行环境（比如存在风干扰）下的四旋翼无人机进行实时精确的轨迹跟踪控制开展研究。本研究主要包括:本文以搭载视觉系统的四旋翼无人机为研究对象,根据要求对无人机系统的各个功能模块进行了选型,设计了基于对地目标追踪任务的四旋翼无人机实验平台。结合设计,分析了四旋翼无人机平台的结构特征和运动特性,通过定义无人机机体坐标系和地面坐标系,利用两个坐标系之间的关系,得到无人机在地面坐标系里的姿态,并利用牛顿-欧拉方法求得了无人机的动力学模型。在本研究中,风场对飞行影响很大。为分析风场对无人机飞行的干扰,建立了风场数学模型并将风场干扰引入无人机动力学模型。由于无人机轨迹由位置和姿态两部分构成,跟踪控制研究时将无人机系统模型分为位置子系统和姿态子系统两个子模型。由于无人机的位置控制与姿态控制存在耦合,其位置控制需要通过对姿态角控制来实现。研究采用内外双闭环形式的控制框架,把四旋翼无人机的控制解耦为内环和外环控制,内环用于控制无人机姿态,外环负责控制无人机位置。利用滑模控制理论,基于外环设计了轨迹跟踪滑模算法,提出一种带有鲁棒项的指数趋近律以实现风干扰下无人机对目标轨迹的稳定跟踪。相同的改进算法也用于内环控制,同步实现了姿态角和角速度的跟随控制。在设计姿态滑模面时加入了姿态角跟踪误差值的积分项以提高无人机姿态控制系统的鲁棒性。利用Lyapunov稳定性判据验证了此控制策略下四旋翼无人机的稳定性。利用MATLAB进行了数值仿真,对比了本文算法和传统滑模控制算法下无人机轨迹跟踪效果,结果发现本文算法对风扰下无人机的跟踪控制具有一定优越性。在Simscape仿真环境中完成了无人机三维CAD模型的导入和飞行场景的搭建。通过仿真分析,对比和评估了双环PID算法和本文控制算法下无人机的跟踪性能。开发了GUI界面以展示无人机仿真飞行过程中的位姿状态信息,实现人机信息交互。最后,通过试飞测试,检验了本文四旋翼无人机平台的实用性和可靠性。