第1章 绪论 1
1.1什么是无人机和微型无人机？ 2
1.2无人机和微型无人机：定义、历史、分类和应用 7
1.2.1定义 7
1.2.2无人机历史发展概述 7
1.2.3无人机的分类 10
1.2.4应用 13
1.3近年来日本自主无人机在民用领域的研究和发展 14
1.4民用自主无人机控制与操作系统的主题和前景 18
1.5自主无人机与微型无人机的未来研究和发展 21
参考文献 23
第一部分 小型和微型旋翼无人机的建模与控制 25
第2章 小型和微型无人直升机的基础建模与控制 25
2.1引言 25
2.2小型和微型直升机的基本建模 26
2.2.1小型和微型无人直升机 26
2.2.2单旋翼直升机的建模 28
2.2.3共轴旋翼直升机的建模 33
2.3小型无人直升机的控制系统设计 37
2.3.1最优控制 37
2.3.2最优预先控制 39
2.4试验 40
2.4.1单旋翼直升机的试验装置 40
2.4.2共轴旋翼直升机的试验装置 42
2.4.3静态飞行控制 43
2.4.4轨迹跟踪控制 44
2.5小结 46
参考文献 46
第3章 使用LQG控制器的微型四旋翼无人机的自主控制 48
3.1引言 48
3.2试验平台介绍 49
3.3试验装置 51
3.3.1嵌入式控制系统 51
3.3.2地面控制站 53
3.4建模和控制器的设计 54
3.4.1建模 55
3.4.2控制器的设计 56
3.5试验及试验结果 58
3.6小结 59
参考文献 60
第4章 自主四倾斜翼无人机的研发：设计、建模和控制 61
4.1引言 61
4.2四倾斜翼无人机 62
4.3四倾斜翼无人机的建模 63
4.3.1坐标系 63
4.3.2偏航模型 64
4.3.3滚转和俯仰姿态模型 66
4.4姿态控制系统设计 69
4.4.1偏航动力学的控制系统设计 69
4.4.2滚转和俯仰动力学控制系统设计 70
4.5试验 71
4.5.1航向控制试验 71
4.5.2滚转和俯仰姿态控制试验 71
4.6过渡状态下的控制性能验证 72
4.7小结 73
参考文献 73
第5章 用于递阶控制设计的直升机模型的线性化与辨识 75
5.1引言 75
5.2建模 76
5.2.1联动装置 78
5.2.2主旋翼和稳定杆的动力学 80
5.2.3机身运动的动力学 89
5.2.4小型直升机建模 90
5.2.5参数辨识与验证 91
5.3控制器设计 95
5.3.1控制系统的结构 95
5.3.2姿态控制器设计 95
5.3.3平飞运动控制系统 96
5.4试验 97
5.4.1航空电子设备结构 97
5.4.2姿态控制 99
5.4.3悬停和平飞控制 100
5.5小结 102
参考文献 103
第二部分 旋翼无人机和微型无人机的先进飞行控制系统 105
第6章 小型直升机自转机动飞行分析及其在紧急迫降中的应用 105
6.1引言 106
6.2自转 106
6.2.1桨叶微元上的气动力 106
6.2.2自转时的空气动力学 106
6.3基于叶素理论的非线性自转模型 107
6.3.1拉力 108
6.3.2扭矩 108
6.3.3诱导速度 109
6.4自转模型的校验 110
6.4.1试验数据 110
6.4.2自转模型的验证 111
6.4.3诱导速度估算方法的改进 112
6.4.4诱导速度估算方法的有效性 113
6.4.5仿真 114
6.5试验 115
6.5.1自转着陆控制 115
6.5.2垂直速度控制 116
6.6线性化 116
6.6.1离散状态空间模型 116
6.6.2基于神经网络的参数确定 117
6.6.3仿真 118
6.7总结 118
参考文献 119
第7章 基于前馈序列控制的小型无人直升机自主特技飞行 120
7.1引言 120
7.2硬件设置 121
7.3手动飞行辨识 121
7.4轨迹设置及仿真 123
7.5执行原理和试验 124
7.6飞行高度与速度 125
7.7小结 127
参考文献 127
第8章 垂直起降无人机的数学建模和非线性控制 128
8.1引言 128
8.2小型及微型垂直起降无人机的动力学模型 130
8.2.1刚体动力学 130
8.2.2气动力和扭矩 132
8.3非线性多级飞行控制器：设计和稳定 134
8.3.1飞行控制器设计 134
8.3.2全闭环系统的稳定性分析 137
8.4无人机系统集成：航空电子设备及实时软件 139
8.4.1航空器描述 140
8.4.2导航传感器及实时架构 140
8.4.3制导、导航和控制系统及其实时实现 142
8.5飞行测试和试验结果 144
8.5.1姿态轨迹跟踪 144
8.5.2自动起飞、悬停和降落 145
8.5.3长距离飞行 146
8.5.4全自主航点导航 147
8.5.5任意路径跟踪 149
8.6小结 151
附录 152
参考文献 154
第9章 应用预测控制的多架小型自主直升机的编队飞行控制 156
9.1引言 156
9.2控制系统配置 157
9.3长机—僚机路径规划器设计 157
9.4基于模型预测控制的制导控制器设计 158
9.4.1速度控制系统 158
9.4.2坐标模型 160
9.4.3模型预测控制器设计 161
9.4.4观测器设计 164
9.5仿真和试验 165
9.5.1仿真 166
9.5.2试验 166
9.5.3约束和防止空中相撞 169
9.5.4抗干扰的鲁棒性 171
9.6小结 171
参考文献 171
第三部分 短程无人机的制导与导航 173
第10章 小型飞行器的制导与导航系统 173
10.1引言 173
10.2微型旋翼无人机的嵌入式制导系统 175
10.2.1任务定义和路径规划 176
10.2.2飞行模式管理 176
10.2.3安全程序和飞行终止系统 177
10.2.4参考轨迹的实时生成 178
10.3航空飞行器的传统导航系统 179
10.3.1姿态和航向参考系统 179
10.3.2坐标和速度估算 180
10.3.3运用压力传感器和惯性导航系统的高度估算 181
10.4 GPS失效情况下的视觉导航系统 181
10.4.1视觉流飞行控制 182
10.4.2特征跟踪的视觉驱动里程仪 187
10.4.3目标跟踪的色觉系统 188
10.4.4用于微型无人机精确定位和着陆的基于立体视觉的系统 193
10.5小结 198
参考文献 198
第11章 低成本姿态四元传感器的设计与应用 200
11.1引言 200
11.2坐标系和四元数 201
11.2.1坐标系定义 201
11.2.2四元数 201
11.3姿态和航向估算算法 204
11.3.1过程模型构造 204
11.3.2扩展卡尔曼滤波算法 206
11.3.3实际应用 207
11.4应用与评价 208
11.5小结 211
参考文献 211
第12章 微型无人机基于视觉的导航和视觉伺服系统 213
12.1引言 214
12.1.1空中视觉导航的相关工作 214
12.1.2基于视觉的自动驾驶仪的介绍 216
12.2用于飞行路径积分的空中视觉里程仪 217
12.2.1特征选择和跟踪 217
12.2.2图像坐标系中飞行器伪运动的估算 218
12.2.3旋转效应补偿 220
12.3用于距离判定和无人机运动复原的自适应观测器 220
12.3.1自适应视觉观测器的数学公式 221
12.3.2递归最小二乘法通则 222
12.3.3 RLS算法在范围（高度）估算中的应用 222
12.3.4视觉估值、惯性和压力传感器数据的融合 224
12.4非线性3D飞行控制器：设计和稳定性 225
12.4.1旋翼机动力学建模 225
12.4.2飞行控制器设计 225
12.4.3闭环系统的稳定性和鲁棒性 227
12.5无人机平台和软件实现 230
12.5.1无人机平台介绍 230
12.5.2实时软件的运行 232
12.6基于视觉飞行的试验结果 234
12.6.1旋转效应补偿和高度估算的静态测试 235
12.6.2自主起飞和着陆情况下的室外自主悬停 235
12.6.3任意目标下的自主起飞、精确悬停和精准自动降落 237
12.6.4自动起飞和着陆情况下的地面移动目标跟踪 238
12.6.5使用视觉的基于速度控制的轨迹跟踪 241
12.6.6采用视觉估算的基于坐标控制的轨迹跟踪 243
12.6.7基于GPS的航点导航和与视觉里程仪估算的比较 243
12.6.8讨论 246
12.7小结 247
参考文献 247
第13章 使用红外和超声波传感器的室内自主飞行与精准自主着陆 250
13.1引言 250
13.2系统组成 251
13.2.1试验平台介绍 251
13.2.2移动式测距系统 252
13.2.3微型无人机操作系统 253
13.3坐标测量原理 254
13.3.1基本原理 254
13.3.2坐标系定义 255
13.3.3边缘检测 255
13.3.4坐标计算 257
13.4建模与控制器设计 258
13.4.1控制系统组成 258
13.4.2建模 259
13.4.3参数辨识 260
13.4.4控制器 260
13.5试验 261
13.5.1自主悬停试验 262
13.5.2自主着陆试验 262
13.6小结 265
参考文献 266