最近几年,随着旋翼无人机技术的成熟,无人机凭借其操作简单、运动灵活和稳定可靠的特性在很多领域大展身手,在农业、军事、气象、灾难救援等方面获得了很多的成功运用。但是,目前旋翼无人机的运用大多数是通过航拍这种方式来进行环境的监控,而不能和外部环境进行有效的互动。如果在多旋翼无人机上安装灵活的机械臂,那么无人机就可以实现外部环境物体的抓取和运输。现有的无人机抓取研究需要借助昂贵、覆盖范围有限的运动捕捉系统等外部设备实时获得无人机和目标抓取物的位置信息,或者只是基于视觉实现缓慢的飞行抓取,抓取过程冗长,也不适合大范围应用。因此,本课题的主要研究任务就是实现无运动捕捉系统的无人机高速自主物体抓取。本课题在一个旋翼无人机上搭载了一个可旋转的摄像头和一个轻质的机械臂。通过欧拉-拉格朗日方程,在笛卡尔空间对无人机-多自由度机械臂复合系统建立完整的三维动力学模型。不失一般性,本文将动力学模型简化至x-z平面,机械臂简化至单自由度,通过对无人机-相机系统进行几何分析,在x-z平面建立了目标图像位置和无人机空间位置的映射关系。针对无人机的姿态与目标在图像中的位置耦合问题,本文将图像投影至标定过的虚拟水平图像上来解耦无人机及相机姿态,然后将x-z平面的动力学模型映射到图像空间,并证明图像空间系统的微分平滑性。基于图像空间映射模型,本文分别提出了使用最小化Snap和迭代线性二次调节器(i LQR)两种方法的图像空间轨迹规划器,它们都能够将飞行过程中的各种耦合约束条件转化成最优化问题。为了跟踪轨迹,本文设计了视觉伺服控制器,反馈误差是目标在图像的像素误差,设计内外环PID控制器实现跟踪。为验证所提出的算法,本文对基于Gazebo的ROS无人机仿真系统进行扩展,建立了无人机-机械臂系统仿真平台,利用该平台验证了模型、轨迹规划器及跟踪控制器的有效性及鲁棒性。本论文是对无人机机械臂抓取这一新方向的探索与研究,实现了基于视觉伺服的无人机抓取轨迹规划和跟踪控制,对于该方向的其他研究人员是重要的参考,对于我国无人机运输的应用研究有较大意义。