随着计算机视觉技术、机器人技术等多学科的发展,无人机领域也在朝着智能化和多功能化的方向发展。一个具有自我运动估计、三维环境感知、动态目标跟踪及自主决策的无人机系统,在军事侦察、城市安防、大型赛事转播、灾后救援等领域有着非常广泛的应用。本文着手于设计一套在有障碍物环境下,不依赖于外部设备进行全自主目标跟踪避障的低成本无人机系统。根据工程需求,着重于对跟踪算法的目标长期跟踪能力的提升,并对目标在三维空间中的位置、尺度及跟踪状态进行估计。结合无人机实时定位建图技术及跟踪策略设计,实现了一套包含完整软硬件的无人机自主跟踪避障系统。在软件仿真和实际飞行实验中验证了系统的自主避障和跟踪能力。本文的主要工作总结如下。1)根据任务需求,对基础硬件设备进行了选型测试,搭建了一台以双目相机为主要传感器的无人机系统。基于ROS架构对系统整体软件和算法进行设计实现,并在Gazebo中完成了仿真环境和仿真模型的搭建。2)为了解决在有障碍物环境下目标的频繁遮挡丢失问题,结合目标检测和目标状态估计算法改进了现有的目标跟踪算法,增强目标跟踪失败检测和重定位能力。使系统能够在有障碍物的环境下,准确检测遮挡和跟踪丢失,并在目标重新出现在视野中时能够实现快速全局重定位。3)考虑到在目标跟踪场景中,动态目标会对定位算法、建图算法产生干扰,利用目标跟踪和状态估计结果对定位建图算法进行优化,排除视野中的动态物体的干扰。在目标轨迹预测时,考虑了目标不同时刻位置对目标未来轨迹的影响比重,并增加了障碍物约束和目标动力学约束,对目标未来轨迹进行更合理的预测。4)设计以目标跟踪状态、无人机与环境的碰撞关系为切换条件的自调整混合目标跟随策略,在不同状态下采用包括跟踪、避障和导航的不同跟随方法,协调了无人机自主避障与目标跟踪之间的关系。在实现安全跟踪的基础上,避免了冗余的算力消耗,保证了算法运行的实时性。