旋翼无人机在垂直起降、低速稳定飞行、机动性等方面有着固定翼无人机所不能比拟的优势，因此装备有视觉传感器的旋翼无人机能够广泛的应用于军事侦察、实时监控、灾区救援与地质勘探等领域，基于视觉的无人机目标跟踪技术的研究也得到了各国研究人员的关注，成为无人机领域的研究热点之一。本文以装备有云台和相机的小型无人直升机为工作平台，对无人直升机地面目标的视觉跟踪问题进行了研究。无人机对地面目标的视觉跟踪问题，主要是指装有相机的云台指向镇定和无人机对目标的跟踪两个部分。在无人直升机飞行控制系统和云台控制系统的能够控制无人直升机位姿和云台转向的前提下，分别对云台和无人机目标跟踪问题进行了数学描述，得到了目标跟踪控制器的设计指标，并通过卡尔曼滤波器估计出了目标的运动状态。最后分别对云台和无人机进行了目标跟踪控制器设计。具体实现如下：首先，论文对无人直升机地面移动目标跟踪问题进行了数学描述。通过对无人机与目标的相对运动关系进行分析，得到了无人机与目标之间的相对运动学非线性模型，并进一步得出了无人机目标跟踪的动态误差。接着通过对云台跟踪回路进行分析，推导出了云台控制回路的数学模型，并给出了云台跟踪控制器的设计指标。然后，论文采用视觉测量与卡尔曼滤波对所跟踪的目标进行了状态估计。本文采用了一种基于静态特征点位置的方法求取运动目标的三维位置信息，并建立了目标的状态方程与观测方程，设计卡尔曼滤波器对地面运动目标进行状态估计，通过蒙特卡罗实验验证了滤波器的滤波效果。最后，论文分别对云台与无人直升机设计了目标跟踪控制器。通过对云台模型的分析，使用PID控制规律设计云台的目标跟踪控制器，控制云台的转角，保持相机光轴实时指向地面目标。接着采用李雅普诺夫第二方法，对无人机设计非线性控制器，控制其飞行轨迹，使无人直升机与地面目标保持一定的距离。最后，通过仿真验证了目标跟踪控制器的可行性。