多旋翼无人机因为其结构上的特点,使得它在军事、民用、农业和工业等方面受到了越来越广泛的重视和应用。而针对这些应用,各类多旋翼无人机的相关研究课题也孕育而生,如多旋翼无人机的机械臂快速抓取、多旋翼无人机的悬挂式运输等。其中对多旋翼无人机的轨迹跟踪研究正是这些课题的研究基础,同时随着应用环境的多变和任务的逐渐复杂,人们对多旋翼无人机轨迹跟踪的自主性和跟踪精度也提出了更高的要求。目前对多旋翼无人机的轨迹跟踪主要使用非动力学控制方法,并使用GPS提供定位信息。但考虑到非动力学控制方法控制精度较低且机动性较差,而在室内等GPS信号无效或者效果不好时,GPS定位方法又无法使多旋翼无人机较好的完成轨迹跟踪任务。基于以上问题,本文设计了一套基于多旋翼无人机动力学和单目视觉的轨迹跟踪方法,该方法可以保证多旋翼无人机在无GPS信号或者GPS信号较弱的室内较好的自主完成轨迹跟踪任务。本文首先对多旋翼无人机动力学的复杂性进行分析,并说明了过度复杂的模型在控制器设计时的不适用性,据此建立了一个复杂度合理的动力学模型,同时以x型四旋翼为例对多旋翼无人机内部力和力矩的产生机制展开了分析,给出了相应的力和力矩分配模型,为轨迹跟踪控制器的设计提供了一个更加完整的模型。然后本文将多旋翼无人机的轨迹跟踪问题分解为姿态和位置跟踪两种模式,并利用PD加前馈的方法完成了轨迹跟踪控制器的理论设计。接着从工程实现角度,先对整个轨迹跟踪控制器的结构做出了简化,减少了控制器实现过程中的代码量,再利用分配模型将对多旋翼无人机的力和力矩控制转成对各旋翼电机转速的控制。同时为获取多旋翼无人机的相关动力学参数,本文通过调研并搭建了相关实验测量设备,并说明了相关参数的标定方法。此外为方便工程实现,本文利用搭建的电机动力学参数测量设备将经电机推力映射出的电机转速转成了脉冲宽度,真正意义上实现了对多旋翼无人机从理论控制到实际的工程控制。考虑到自行设计和搭建飞控硬件的繁琐性,本文借助开源飞行控制框架PX4在开源硬件Pixhawk上实现了轨迹跟踪底层控制器的工程部署。在轨迹跟踪底层控制器的基础上,本文借助机体搭载的单目相机和飞控内部集成的IMU,使用紧耦合非线性优化的单目视觉里程计算法框架,完成了对多旋翼无人机室内的位姿估计算法设计。为进一步验证轨迹跟踪算法和视觉定位算法的实际可行性,本文自行搭建了x型四旋翼,并利用前面搭建的动力学参数测量设备完成了相关动力学参数的测量。然后在动作捕捉系统下,从实验角度对轨迹跟踪底层控制器和视觉惯性里程计算法的可行性进行了验证。说明了本文设计的轨迹跟踪底层控制器是具有较强的轨迹跟踪能力和跟踪精度的,而单目视觉惯性里程计算法可以为多旋翼无人机较好的提供位姿估计。最后进行轨迹跟踪实验证实了整个基于动力学和单目视觉的轨迹跟踪算法可以保证多旋翼无人机较好的完成自主轨迹跟踪任务。同时本文提出的轨迹跟踪方法对多旋翼无人机的机械臂快速抓取、悬挂式负载运输等课题的研究具有较大的促进作用。