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第1章 气动布局与动力学模型 1

1.1 气动布局 1

1.2 动力学模型 6

1.2.1 牛顿-欧拉方法 6

1.2.2 欧拉-拉格朗日方法 8

1.2.3 四元数方法 9

1.2.4 例子：四旋翼无人直升机动力学模型 12

参考文献 18

第2章 针对二维垂直起降飞机稳定的嵌套饱和状态控制 20

2.1 引言 20

2.2 技术发展 21

2.3 二维垂直起降飞机模型 23

2.4 控制策略 24

2.4.1 垂直位移y的控制 24

2.4.2 滚转角θ和水平位移x的控制 25

2.5 二维垂直起降飞机稳定的其他控制策略 30

2.6 实验结果 31

2.7 小结 34

参考文献 34

第3章 双旋翼垂直起降微型无人机设计、建模与控制 38

3.1 引言 38

3.2 动力学模型 39

3.2.1 运动学 40

3.2.2 动力学 41

3.2.3 控制分析模型 44

3.3 控制策略 45

3.3.1 高度控制 45

3.3.2 水平运动控制 45

3.3.3 姿态控制 46

3.4 实验装置 47

3.4.1 机载飞行系统 48

3.4.2 地面视觉系统 49

3.4.3 实验结果 50

3.5 小结 52

参考文献 53

第4章 双旋翼无人机自主悬停飞行 55

4.1 引言 55

4.2 双旋翼无人机 56

4.2.1 描述 56

4.2.2 动力学模型 58

4.3 控制算法设计 62

4.4 实验平台 67

4.4.1 实时PC控制系统（PCCS） 67

4.4.2 实验结果 69

4.5 小结 71

参考文献 71

第5章 可倾转机身无人机建模与控制 73

5.1 引言 73

5.2 可倾转机身无人机 74

5.2.1 垂直飞行模式 74

5.2.2 飞行模式转换 74

5.2.3 水平飞行模式 75

5.3 数学模型 75

5.3.1 飞行模式转换 76

5.3.2 无人机的姿态 76

5.3.3 运动方程 78

5.4 控制器设计 79

5.4.1 悬停飞行控制 79

5.4.2 倾转控制 88

5.4.3 水平飞行控制 94

5.5 嵌入式系统 98

5.5.1 实验平台 99

5.5.2 微控制器 100

5.5.3 惯性测量单元（IMU） 101

5.5.4 传感器融合 101

5.6 小结与展望 103

5.6.1 小结 103

5.6.2 展望 104

参考文献 104

第6章 不同倾转旋翼无人机的控制 106

6.1 引言 106

6.2 垂直起降飞机的动力学模型 107

6.2.1 运动学 108

6.2.2 动力学 108

6.3 垂直起降无人机的姿态控制 109

6.4 三倾转旋翼无人机：Delta 110

6.4.1 Delta无人机动力学 111

6.4.2 作用在Delta无人机上的力矩 112

6.4.3 实验平台搭建 113

6.4.4 实验结果 115

6.5 单倾转旋翼无人机：T-Plane 116

6.5.1 作用在飞机上的力与力矩 118

6.5.2 实验结果 119

6.6 小结 121

参考文献 121

第7章 利用驱动电机电流反馈改进四旋翼无人机的姿态稳定性 123

7.1 引言 123

7.2 无刷直流电机及速度控制器 124

7.3 四旋翼无人机 126

7.3.1 动力学模型 127

7.4 控制策略 128

7.4.1 姿态控制 129

7.4.2 电枢电流控制 131

7.5 系统结构 132

7.5.1 四旋翼无人机 132

7.5.2 地面控制站 134

7.5.3 视觉系统 134

7.6 实验结果 135

7.7 小结 137

参考文献 137

第8章 微型旋翼无人机鲁棒控制设计技术：仿真与实验结果 139

8.1 引言 139

8.2 动力学模型 140

8.3 问题描述 142

8.4 鲁棒控制设计 143

8.5 仿真与实验结果 145

8.5.1 仿真 145

8.5.2 实验平台 147

8.6 小结 148

参考文献 149

第9章 采用单摄像头的四旋翼无人机悬停稳定飞行 151

9.1 引言 151

9.2 视觉伺服 152

9.2.1 直接视觉伺服 153

9.2.2 间接视觉伺服 153

9.2.3 基于视觉伺服的定位 154

9.2.4 基于图像的视觉伺服 155

9.2.5 位置-图像视觉伺服 155

9.3 摄像头标定 157

9.3.1 两平面标定方法 157

9.3.2 同质变换方法 159

9.4 姿态估计 160

9.4.1 n点透视方法 161

9.4.2 基于平面姿态的方法 162

9.5 动力学模型及控制策略 165

9.6 实验平台组成 167

9.7 实验结果 168

9.7.1 摄像头标定结果 168

9.7.2 实验过程 169

9.7.3 飞行实验结果 170

9.8 小结 171

参考文献 171

第10章 基于视觉定位控制的小型双旋翼垂直起降无人机 175

10.1 引言 175

10.2 位置与速度估计 177

10.2.1 惯性传感器 177

10.2.2 视觉传感器 177

10.2.3 基于卡尔曼滤波的传感器融合 181

10.3 动力学模型 183

10.4 控制策略 186

10.4.1 前向子系统 187

10.4.2 侧向子系统 188

10.4.3 航向子系统 188

10.5 实验装置及结果 188

10.5.1 实验结果 189

10.6 小结 191

参考文献 191

第11章 基于视频流的小型无人机自主三维定位与控制 193

11.1 引言 193

11.2 相关研究和三重嵌套卡尔曼滤波框架 195

11.2.1 视频流计算 195

11.2.2 从运动中恢复结构问题 195

11.2.3 仿生视觉的无人机导航 196

11.2.4 所提框架的简要描述 197

11.3 基于预测的自适应图像块算法用于精确高效的视频流计算 198

11.3.1 搜索中心预测 199

11.3.2 块匹配算法和差分算法组合 200

11.4 基于视频流理解的无人机三维运动估计和障碍检测（SFM问题） 202

11.4.1 图像模型 203

11.4.2 视频流和角速率数据融合 204

11.4.3 基于扩展卡尔曼滤波算法的运动和结构估计 204

11.5 空中平台的描述及实现 206

11.5.1 基于旋翼的无人机平台 206

11.5.2 实时软件 208

11.6 三维飞行实验和实验结果 209

11.6.1 实验方法和安全流程 210

11.6.2 基于视频流的速度控制 210

11.6.3 基于视频流的位置控制 210

11.6.4 基于视频流的室内全自主飞行 213

11.7 小结 214

参考文献 215

第12章 基于立体视觉和视频流的八旋翼无人机实时稳定控制 219

12.1 引言 219

12.2 立体视觉 220

12.3 三维重构 224

12.4 特征点匹配算法 226

12.5 基于视频流的控制 227

12.6 八旋翼无人机 230

12.6.1 动力学模型 231

12.6.2 控制策略 238

12.7 系统概念 240

12.8 飞行实验 241

参考文献 244

第13章 三维定位 246

13.1 卡尔曼滤波器 247

13.1.1 线性卡尔曼滤波器 247

13.1.2 扩展卡尔曼滤波器 249

13.1.3 无迹卡尔曼滤波器 251

13.1.4 球形单体Sigma点卡尔曼滤波器 257

13.2 无人机定位 265

13.2.1 定位类型 265

13.2.2 惯性导航理论框架 266

13.3 仿真 268

13.3.1 四旋翼直升机 269

13.3.2 惯性导航仿真 269

13.4 小结 275

参考文献 276

第14章 有风条件下自主飞行无人机的飞行重规划 280

14.1 引言 280

14.2 建模 282

14.2.1 向下气流模型 282

14.2.2 平移动力学模型 283

14.3 飞行规划更新 286

14.3.1 基本问题阐述 288

14.3.2 层次规划结构 289

14.4 更新参考航路：时间优化问题 289

14.5 第一组解S1的分析 293

14.6 小结 300

参考文献 300