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第1章 引言 1

1.1 系统架构 1

1.2 设计模型 3

1.3 设计项目 5

第2章 坐标系 6

2.1 旋转矩阵 6

2.2 MAV坐标系 8

2.2.1 惯性坐标系Fi 9

2.2.2 飞机坐标系Fv 9

2.2.3 飞机-1坐标系Fv1 10

2.2.4 飞机-2坐标系Fv2 10

2.2.5 机体坐标系Fb 11

2.2.6 稳定坐标系Fs 12

2.2.7 风轴坐标系Fw 13

2.3 空速、风速和地速 14

2.4 风速三角 15

2.5 矢量的微分 18

2.6 本章小结 19

注释和参考文献 19

2.7 设计项目 19

第3章 运动学与动力学 22

3.1 状态变量 22

3.2 运动学 23

3.3 刚体动力学 24

3.3.1 平移运动 25

3.3.2 旋转运动 26

3.4 本章小结 29

注释和参考文献 29

3.5 设计项目 30

第4章 力与力矩 31

4.1 重力 31

4.2 空气动力与力矩 32

4.2.1 控制面 33

4.2.2 纵轴空气动力学 35

4.2.3 横向空气动力学 39

4.2.4 空气动力学系数 40

4.3 推进力与力矩 41

4.3.1 推进器推力 41

4.3.2 推进器扭矩 42

4.4 空气干扰 42

4.5 本章小结 45

注释和参考文献 46

4.6 设计项目 46

第5章 线性设计模型 47

5.1 非线性运动方程的总结 47

5.2 协调转弯 49

5.3 平衡条件 51

5.4 传递函数模型 52

5.4.1 横向传递函数 53

5.4.2 纵向传递函数 55

5.5 线性状态空间模型 60

5.5.1 线性化 60

5.5.2 横向状态空间方程 60

5.5.3 纵向状态空间方程 64

5.5.4 降阶模式 67

5.6 本章小结 70

注释和参考文献 71

5.7 设计项目 71

第6章 基于连续闭环的自动驾驶仪设计 73

6.1 连续闭环 73

6.2 饱和约束和性能 75

6.3 横向自动驾驶仪 76

6.3.1 滚转姿态环设计 76

6.3.2 航迹保持 79

6.3.3 侧滑保持 80

6.4 纵向自动驾驶仪 81

6.4.1 俯仰姿态控制 82

6.4.2 利用俯仰指令的高度控制 83

6.4.3 利用俯仰指令的空速控制 85

6.4.4 利用油门的空速控制 86

6.4.5 高度控制状态机 87

6.5 PID环的数字实现 87

6.6 本章小结 90

6.6.1 横向自动驾驶仪设计过程总结 90

6.6.2 纵向自动驾驶仪设计过程摘要 91

注释和参考文献 91

6.7 设计项目 91

第7章 MAV的传感器 93

7.1 加速度计 93

7.2 速率陀螺 96

7.3 压强传感器 97

7.3.1 高度测量 98

7.3.2 空速传感器 100

7.4 数字指南针 101

7.5 全球定位系统 103

7.5.1 GPS测量误差 103

7.5.2 GPS定位误差的瞬时特性 106

7.5.3 GPS速率测量 107

7.6 本章小结 108

注释和参考文献 108

7.7 设计项目 108

第8章 状态估计 110

8.1 基准机动飞行 110

8.2 低通滤波器 111

8.3 逆推传感器模型状态估计 111

8.3.1 角速率 112

8.3.2 高度 112

8.3.3 空速 112

8.3.4 转动和倾斜角度 113

8.3.5 位置、航线和对地速率 114

8.4 动态观测器理论 115

8.5 连续-离散卡尔曼滤波器推导 117

8.6 姿态估计 120

8.7 GPS平滑 122

8.8 本章小结 125

注释和参考文献 125

8.9 设计项目 126

第9章 制导系统的设计模型 127

9.1 自动驾驶仪模型 127

9.2 受控飞行的运动模型 127

9.2.1 协调转弯 128

9.2.2 加速爬升 129

9.3 运动制导模型 130

9.4 动态制导模型 132

9.5 本章小结 133

注释和参考文献 133

9.6 设计项目 134

第10章 直线和轨道跟踪 135

10.1 直线路径跟随 135

10.1.1 直线跟随的纵向制导策略 138

10.1.2 直线跟随的侧向制导策略 138

10.2 轨道跟随 140

10.3 本章小结 142

注释和参考文献 144

10.4 设计项目 144

第11章 路径管理器 146

11.1 位置点间的转换 146

11.2 Dubins路径 152

11.2.1 Dubins路径定义 152

11.2.2 路径长度计算 153

11.2.3 Dubins路径追踪算法 157

11.3 本章小结 161

注释和参考文献 161

11.4 设计项目 162

第12章 路径规划 163

12.1 点到点算法 163

12.1.1 维诺图 163

12.1.2 快速探测随机树 167

12.2 覆盖算法 174

12.3 本章小结 177

注释与参考文献 177

12.4 设计项目 178

第13章 基于视觉的导航 179

13.1 框架、相机坐标系与投影几何 179

13.1.1 相机模型 180

13.2 框架指向 182

13.3 地理定位 183

13.3.1 使用平地模型确定到目标的距离 183

13.3.2 使用扩展卡尔曼滤波进行地球定位 184

13.4 图像平面内目标运动预估 185

13.4.1 数字低通滤波器和差分 186

13.4.2 旋转导致的视运动 186

13.5 碰撞时间 188

13.5.1 由目标尺寸计算碰撞时间 189

13.5.2 由平面地球模型计算碰撞时间 189

13.6 精确着陆 190

13.7 本章小结 193

注释和参考文献 193

13.8 设计项目 194

附录A 术语和符号 195

术语 195

符号 195

附录B 四元数 201

B.1 四元数的旋转 201

B.2 飞机的运动学和动力学方程 202

B.2.1 用单位四元数姿态表征的12状态-6自由度动力学模型 203

B.3 欧拉角和四元数之间的转换 205

附录C 动画仿真 206

C.1 利用Matlab进行图形处理 206

C.2 动画举例：倒立摆 206

C.3 动画举例：线绘航天器 209

C.4 动画举例：使用顶点和面的航天器 213

附录D 基于S-函数的Simulink建模 216

D.1 举例：二阶微分方程 216

D.1.1 1级m文件S-函数 216

D.1.2 C文件S-函数 218

附录E 机身参数 221

E.1 Zagi飞翼 221

E.2 无人机 222

附录F 在Simulink中修正和线性化 223

F.1 使用Simulink中的trim命令 223

F.2 trim的数值计算 224

F.2.1 修正算法 225

F.2.2 梯度下降法的数值实现 226

F.3 利用Simulink的linmond命令生成状态空间模型 227

F.4 状态空间模型的数值计算 229

附录G 概率论要点 230

附录H 传感器参数 232

H.1 速率陀螺 232

H.2 加速度计 232

H.3 压力传感器 233

H.4 数字罗盘/磁力计 233

H.5 GPS 233

参考文献 234