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