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