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第1章 绪论1

1.1什么是无人机和微型无人机？2

1.2无人机和微型无人机：定义、历史、分类和应用7

1.2.1定义7

1.2.2无人机历史发展概述7

1.2.3无人机的分类10

1.2.4应用13

1.3近年来日本自主无人机在民用领域的研究和发展14

1.4民用自主无人机控制与操作系统的主题和前景18

1.5自主无人机与微型无人机的未来研究和发展21

参考文献23

第一部分 小型和微型旋翼无人机的建模与控制25

第2章 小型和微型无人直升机的基础建模与控制25

2.1引言25

2.2小型和微型直升机的基本建模26

2.2.1小型和微型无人直升机26

2.2.2单旋翼直升机的建模28

2.2.3共轴旋翼直升机的建模33

2.3小型无人直升机的控制系统设计37

2.3.1最优控制37

2.3.2最优预先控制39

2.4试验40

2.4.1单旋翼直升机的试验装置40

2.4.2共轴旋翼直升机的试验装置42

2.4.3静态飞行控制43

2.4.4轨迹跟踪控制44

2.5小结46

参考文献46

第3章 使用LQG控制器的微型四旋翼无人机的自主控制48

3.1引言48

3.2试验平台介绍49

3.3试验装置51

3.3.1嵌入式控制系统51

3.3.2地面控制站53

3.4建模和控制器的设计54

3.4.1建模55

3.4.2控制器的设计56

3.5试验及试验结果58

3.6小结59

参考文献60

第4章 自主四倾斜翼无人机的研发：设计、建模和控制61

4.1引言61

4.2四倾斜翼无人机62

4.3四倾斜翼无人机的建模63

4.3.1坐标系63

4.3.2偏航模型64

4.3.3滚转和俯仰姿态模型66

4.4姿态控制系统设计69

4.4.1偏航动力学的控制系统设计69

4.4.2滚转和俯仰动力学控制系统设计70

4.5试验71

4.5.1航向控制试验71

4.5.2滚转和俯仰姿态控制试验71

4.6过渡状态下的控制性能验证72

4.7小结73

参考文献73

第5章 用于递阶控制设计的直升机模型的线性化与辨识75

5.1引言75

5.2建模76

5.2.1联动装置78

5.2.2主旋翼和稳定杆的动力学80

5.2.3机身运动的动力学89

5.2.4小型直升机建模90

5.2.5参数辨识与验证91

5.3控制器设计95

5.3.1控制系统的结构95

5.3.2姿态控制器设计95

5.3.3平飞运动控制系统96

5.4试验97

5.4.1航空电子设备结构97

5.4.2姿态控制99

5.4.3悬停和平飞控制100

5.5小结102

参考文献103

第二部分 旋翼无人机和微型无人机的先进飞行控制系统105

第6章 小型直升机自转机动飞行分析及其在紧急迫降中的应用105

6.1引言106

6.2自转106

6.2.1桨叶微元上的气动力106

6.2.2自转时的空气动力学106

6.3基于叶素理论的非线性自转模型107

6.3.1拉力108

6.3.2扭矩108

6.3.3诱导速度109

6.4自转模型的校验110

6.4.1试验数据110

6.4.2自转模型的验证111

6.4.3诱导速度估算方法的改进112

6.4.4诱导速度估算方法的有效性113

6.4.5仿真114

6.5试验115

6.5.1自转着陆控制115

6.5.2垂直速度控制116

6.6线性化116

6.6.1离散状态空间模型116

6.6.2基于神经网络的参数确定117

6.6.3仿真118

6.7总结118

参考文献119

第7章 基于前馈序列控制的小型无人直升机自主特技飞行120

7.1引言120

7.2硬件设置121

7.3手动飞行辨识121

7.4轨迹设置及仿真123

7.5执行原理和试验124

7.6飞行高度与速度125

7.7小结127

参考文献127

第8章 垂直起降无人机的数学建模和非线性控制128

8.1引言128

8.2小型及微型垂直起降无人机的动力学模型130

8.2.1刚体动力学130

8.2.2气动力和扭矩132

8.3非线性多级飞行控制器：设计和稳定134

8.3.1飞行控制器设计134

8.3.2全闭环系统的稳定性分析137

8.4无人机系统集成：航空电子设备及实时软件139

8.4.1航空器描述140

8.4.2导航传感器及实时架构140

8.4.3制导、导航和控制系统及其实时实现142

8.5飞行测试和试验结果144

8.5.1姿态轨迹跟踪144

8.5.2自动起飞、悬停和降落145

8.5.3长距离飞行146

8.5.4全自主航点导航147

8.5.5任意路径跟踪149

8.6小结151

附录152

参考文献154

第9章 应用预测控制的多架小型自主直升机的编队飞行控制156

9.1引言156

9.2控制系统配置157

9.3长机—僚机路径规划器设计157

9.4基于模型预测控制的制导控制器设计158

9.4.1速度控制系统158

9.4.2坐标模型160

9.4.3模型预测控制器设计161

9.4.4观测器设计164

9.5仿真和试验165

9.5.1仿真166

9.5.2试验166

9.5.3约束和防止空中相撞169

9.5.4抗干扰的鲁棒性171

9.6小结171

参考文献171

第三部分 短程无人机的制导与导航173

第10章 小型飞行器的制导与导航系统173

10.1引言173

10.2微型旋翼无人机的嵌入式制导系统175

10.2.1任务定义和路径规划176

10.2.2飞行模式管理176

10.2.3安全程序和飞行终止系统177

10.2.4参考轨迹的实时生成178

10.3航空飞行器的传统导航系统179

10.3.1姿态和航向参考系统179

10.3.2坐标和速度估算180

10.3.3运用压力传感器和惯性导航系统的高度估算181

10.4 GPS失效情况下的视觉导航系统181

10.4.1视觉流飞行控制182

10.4.2特征跟踪的视觉驱动里程仪187

10.4.3目标跟踪的色觉系统188

10.4.4用于微型无人机精确定位和着陆的基于立体视觉的系统193

10.5小结198

参考文献198

第11章 低成本姿态四元传感器的设计与应用200

11.1引言200

11.2坐标系和四元数201

11.2.1坐标系定义201

11.2.2四元数201

11.3姿态和航向估算算法204

11.3.1过程模型构造204

11.3.2扩展卡尔曼滤波算法206

11.3.3实际应用207

11.4应用与评价208

11.5小结211

参考文献211

第12章 微型无人机基于视觉的导航和视觉伺服系统213

12.1引言214

12.1.1空中视觉导航的相关工作214

12.1.2基于视觉的自动驾驶仪的介绍216

12.2用于飞行路径积分的空中视觉里程仪217

12.2.1特征选择和跟踪217

12.2.2图像坐标系中飞行器伪运动的估算218

12.2.3旋转效应补偿220

12.3用于距离判定和无人机运动复原的自适应观测器220

12.3.1自适应视觉观测器的数学公式221

12.3.2递归最小二乘法通则222

12.3.3 RLS算法在范围（高度）估算中的应用222

12.3.4视觉估值、惯性和压力传感器数据的融合224

12.4非线性3D飞行控制器：设计和稳定性225

12.4.1旋翼机动力学建模225

12.4.2飞行控制器设计225

12.4.3闭环系统的稳定性和鲁棒性227

12.5无人机平台和软件实现230

12.5.1无人机平台介绍230

12.5.2实时软件的运行232

12.6基于视觉飞行的试验结果234

12.6.1旋转效应补偿和高度估算的静态测试235

12.6.2自主起飞和着陆情况下的室外自主悬停235

12.6.3任意目标下的自主起飞、精确悬停和精准自动降落237

12.6.4自动起飞和着陆情况下的地面移动目标跟踪238

12.6.5使用视觉的基于速度控制的轨迹跟踪241

12.6.6采用视觉估算的基于坐标控制的轨迹跟踪243

12.6.7基于GPS的航点导航和与视觉里程仪估算的比较243

12.6.8讨论246

12.7小结247

参考文献247

第13章 使用红外和超声波传感器的室内自主飞行与精准自主着陆250

13.1引言250

13.2系统组成251

13.2.1试验平台介绍251

13.2.2移动式测距系统252

13.2.3微型无人机操作系统253

13.3坐标测量原理254

13.3.1基本原理254

13.3.2坐标系定义255

13.3.3边缘检测255

13.3.4坐标计算257

13.4建模与控制器设计258

13.4.1控制系统组成258

13.4.2建模259

13.4.3参数辨识260

13.4.4控制器260

13.5试验261

13.5.1自主悬停试验262

13.5.2自主着陆试验262

13.6小结265

参考文献266