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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1 23

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2 49

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3 63

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1 70

4.3.2求解问题2 71

4.3.3求解问题3 73

4.3.4求解问题4 74

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4 82

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5 105

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6 125

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7 150

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8 173

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9 197

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10 222

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11 254

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12 275

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13 300

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14 322

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