四旋翼无人机具有体积小和垂直起降等诸多优点,能够在室内、城市等复杂环境中进行定点悬停、目标跟踪等多种方式的飞行,广泛用于航拍、搜救、巡视等任务。随着机器人技术的崛起,高性能传感器、新型材料、嵌入式设备等技术的出现,也加速了四旋翼无人机行业的发展。利用先进的控制方法和传感器提高四旋翼无人机的性能,可以代替人工操作实现自主飞行。本文主要研究了四旋翼无人机基于视觉伺服的自主飞行控制问题,以摄像头作为主要传感器,对四旋翼进行定点悬停和地面移动目标追踪两个飞行任务的控制。视觉伺服控制最主要的问题是图像深度,同时四旋翼本身具有的动力学特性也给基于视觉伺服的控制带来了困难。针对这些问题,本文研究了四旋翼无人机以机载相机作为主要传感器时基于视觉伺服的控制问题,主要研究内容和创新点可以总结为以下三个方面:首先,本文定义了虚拟相机坐标系,生成了虚拟图像坐标系,基于图像的视觉伺服控制都将在该平面上处理。虚拟图像平面始终平行于水平地面,使得地面目标具有相同的深度值。通过透视投影和设定适当的图像矩特征来推导出四旋翼无人机的视觉伺服模型,用于实现基于视觉伺服的四旋翼无人机自主飞行控制。其次,针对四旋翼无人机基于视觉伺服的定点悬停控制问题,提出了基于视觉伺服的四旋翼有限时间控制方法。提出了一类基于非奇异快速终端滑模的有限时间控制策略,分别设计了四旋翼视觉伺服的内环姿态和外环位置有限时间控制器。此外,还考虑了图像动态和外部扰动产生的不确定性,在控制器中引入补偿项来处理这些不确定项。根据李雅普诺夫理论证明了系统的有限时间收敛性,图像特征误差有限时间内收敛到零。最后,针对四旋翼无人机基于视觉伺服的移动目标跟踪控制问题,设计了基于图像的移动目标跟踪控制器。所设计的控制器引入了自适应控制的方法,在线估计机载相机深度信息和运动目标的线速度信息,可以跟踪地面速度未知的移动目标。