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第1章 绪论1

1.1基本概念2

1.1.1常见飞行器分类2

1.1.2无人驾驶飞机和航空模型飞机4

1.2多旋翼遥控和性能评估5

1.2.1遥控5

1.2.2性能评估9

1.2.3瓶颈11

1.3多旋翼发展历史11

1.3.1休眠期12

1.3.2复苏期13

1.3.3发展期14

1.3.4活跃期15

1.3.5爆发期16

1.3.6评注19

1.4本书的目的和写作结构19

1.4.1本书的目的19

1.4.2写作结构20

习题123

参考文献23

第一篇 设计篇28

第2章 基本组成28

2.1总体介绍29

2.2机架31

2.2.1机身31

2.2.2起落架32

2.2.3涵道32

2.3动力系统33

2.3.1螺旋桨33

2.3.2电机36

2.3.3电调39

2.3.4电池40

2.4指挥控制系统42

2.4.1遥控器和接收机42

2.4.2自驾仪44

2.4.3地面站47

2.4.4数传电台47

本章小结48

练习249

参考文献49

第3章 机架设计50

3.1布局设计51

3.1.1机架布局51

3.1.2气动布局58

3.2结构设计59

3.2.1机架结构设计原则59

3.2.2减振考虑59

3.2.3减噪考虑61

本章小结62

习题363

参考文献63

第4章 动力系统建模和估算64

4.1问题描述65

4.2动力系统建模66

4.2.1螺旋桨建模66

4.2.2电机建模68

4.2.3电调建模69

4.2.4电池建模70

4.3性能估算70

4.3.1求解问题170

4.3.2求解问题271

4.3.3求解问题373

4.3.4求解问题474

4.4实验测试76

4.5附录77

4.5.1求解螺旋桨拉力系数与转矩系数的详细步骤77

4.5.2求解电机等效电压和电流的详细步骤79

本章小结82

习题482

参考文献83

第二篇 建模篇88

第5章 坐标系和姿态表示88

5.1坐标系89

5.2姿态表示89

5.2.1欧拉角90

5.2.2旋转矩阵93

5.2.3四元数95

本章小结105

习题5105

参考文献105

第6章 动态模型和参数测量107

6.1多旋翼控制模型108

6.1.1总体描述108

6.1.2多旋翼飞行控制刚体模型109

6.1.3控制效率模型112

6.1.4动力单元模型114

6.2多旋翼气动阻力模型115

6.2.1桨叶挥舞115

6.2.2多旋翼气动阻力模型116

6.3多旋翼模型参数测量117

6.3.1重心位置117

6.3.2重量118

6.3.3转动惯量118

6.3.4动力单元参数测量121

本章小结125

习题6125

参考文献125

第三篇 感知篇128

第7章 传感器标定和测量模型128

7.1三轴加速度计129

7.1.1基本原理129

7.1.2标定130

7.1.3测量模型131

7.2三轴陀螺仪132

7.2.1基本原理132

7.2.2标定132

7.2.3测量模型135

7.3三轴磁力计135

7.3.1基本原理135

7.3.2标定135

7.4超声波测距仪138

7.5气压计138

7.6二维激光测距仪139

7.7全球定位系统141

7.7.1基本原理141

7.7.2标定143

7.7.3测量模型143

7.7.4补充：经纬度距离和航向计算143

7.8摄像机144

7.8.1基本原理144

7.8.2测量模型145

7.8.3标定147

7.8.4工具箱149

本章小结150

习题7150

参考文献150

第8章 可观性和卡尔曼滤波器152

8.1可观性153

8.1.1线性系统153

8.1.2连续时间非线性系统157

8.2卡尔曼滤波器161

8.2.1目标161

8.2.2预备知识162

8.2.3理论推导162

8.2.4多速率卡尔曼滤波器169

8.3扩展卡尔曼滤波器169

8.3.1基本原理170

8.3.2理论推导170

8.3.3隐式扩展卡尔曼滤波器172

本章小结173

习题8173

参考文献173

第9章 状态估计175

9.1姿态估计176

9.1.1测量原理176

9.1.2线性互补滤波器179

9.1.3非线性互补滤波器182

9.1.4卡尔曼滤波器183

9.2位置估计184

9.2.1基于GPS的位置估计184

9.2.2基于SLAM的位置估计185

9.3速度估计189

9.3.1基于光流的速度估计方法189

9.3.2基于气动阻力模型的速度估计方法192

9.4障碍估计194

9.4.1延伸焦点计算194

9.4.2碰撞时间计算195

本章小结197

习题9197

参考文献198

第四篇 控制篇202

第10章 稳定性和可控性202

10.1稳定性定义203

10.2稳定性判据205

10.2.1多旋翼的稳定性205

10.2.2稳定性的一些结果205

10.3可控性基本概念210

10.3.1经典可控性210

10.3.2正可控性210

10.4多旋翼的可控性212

10.4.1多旋翼模型建立212

10.4.2经典可控性213

10.4.3正可控性分析214

10.4.4多旋翼系统可控性216

10.4.5进一步说明220

10.5附录：引理10.1的证明220

本章小结221

习题10222

参考文献223

第11章 底层飞行控制225

11.1多旋翼底层飞行控制框架226

11.2简化的线性模型227

11.3位置控制229

11.3.1基本概念229

11.3.2欧拉角作为输出230

11.3.3旋转矩阵作为输出234

11.4姿态控制237

11.4.1基本概念237

11.4.2基于欧拉角的姿态控制237

11.4.3基于旋转矩阵的姿态控制238

11.4.4鲁棒姿态控制239

11.5控制分配245

11.5.1基本概念245

11.5.2控制分配在自驾仪中的实现245

11.6电机控制247

11.6.1闭环控制247

11.6.2开环控制247

11.7综合仿真248

11.7.1控制目标和系统参数设置248

11.7.2基于欧拉角的姿态控制结合基于欧拉角的位置控制248

11.7.3基于旋转矩阵的姿态控制结合基于旋转矩阵的位置控制251

11.7.4鲁棒姿态控制253

本章小结253

习题11254

参考文献255

第12章 基于半自主自驾仪的位置控制257

12.1问题描述258

12.1.1带有半自主自驾仪的多旋翼控制结构258

12.1.2三通道模型259

12.1.3位置控制的目标260

12.2系统辨识260

12.2.1系统辨识步骤和工具260

12.2.2系统辨识中用到的模型262

12.3位置控制器的设计265

12.3.1 PID控制器265

12.3.2基于加性输出分解的动态逆控制器265

12.4仿真266

12.4.1系统辨识268

12.4.2控制271

12.4.3跟踪性能对比272

本章小结274

习题12275

参考文献275

第五篇 决策篇280

第13章 任务决策280

13.1全自主控制281

13.1.1总体介绍281

13.1.2任务规划282

13.1.3路径规划284

13.2半自主控制293

13.2.1半自主控制的三种模式294

13.2.2遥控295

13.2.3自动控制296

13.2.4遥控和自动控制间的切换逻辑298

本章小结299

习题13300

参考文献300

第14章 健康评估和失效保护302

14.1决策的目的和意义303

14.2安全问题303

14.2.1通信故障304

14.2.2传感器失效304

14.2.3动力系统异常305

14.3健康评估306

14.3.1飞行前健康检查306

14.3.2飞行中健康监测306

14.4失效保护建议309

14.4.1通信失效保护310

14.4.2传感器失效保护310

14.4.3动力系统失效保护310

14.5半自主自驾仪安全逻辑设计311

14.5.1需求描述311

14.5.2多旋翼状态和飞行模式定义312

14.5.3事件定义312

14.5.4自驾仪逻辑设计314

本章小结318

习题14322

参考文献323

第15章 展望327

15.1相关技术发展328

15.1.1动力技术328

15.1.2导航技术329

15.1.3交互技术331

15.1.4通信技术331

15.1.5芯片技术331

15.1.6软件平台技术332

15.1.7空中交通管理技术332

15.1.8小结333

15.2需求和技术创新方向333

15.2.1创新层面333

15.2.2应用创新333

15.2.3性能创新335

15.3分析338

15.3.1风险338

15.3.2建议338

15.4机遇和挑战339

15.4.1机遇339

15.4.2挑战339

参考文献340

附录A 中英文专业词汇对照表345