无人飞行系统设计

无人机系统设计包括三个部分的无人机设计（车辆设计、自动驾驶仪设计和地面系统设计），该书使读者能够充分理解这一主题背后的科学，从而能够展示自己在应用这些概念方面的创造性。它教授学生和工程师所有的知识：无人机分类、设计组、设计要求、任务规划、概念设计、详细设计和设计程序。它使他们深入了解地面站、动力系统、推进系统、自动飞行控制系统、制导系统、导航系统以及发射和回收系统。学生还将学习有效载荷、制造注意事项、设计挑战、飞行软件、微控制器和设计示例。此外，该书主要强调自动飞行控制系统和自动驾驶仪。该书是本科高年级和研究生相关课程教材。

目录<br />译者序<br />前言<br />第1章设计基础1<br />1.1引言1<br />1.2无人飞行器的分类4<br />1.3典型无人飞行器回顾6<br />1.3.1“全球鹰”7<br />1.3.2RQ-1A“捕食者”7<br />1.3.3MQ-9“捕食者”B<br />“收割者”8<br />1.3.4RQ-5A“猎人”9<br />1.3.5RQ-7“影子200”9<br />1.3.6RQ-2A“先锋”9<br />1.3.7RQ-170“哨兵”10<br />1.3.8X-45A无人战斗飞行器10<br />1.3.9爱普生微型飞行机器人10<br />1.4设计项目规划11<br />1.5决策12<br />1.6设计标准、目标和优先级12<br />1.7可行性分析14<br />1.8设计小组14<br />1.9设计流程15<br />1.10系统工程方法15<br />1.11无人飞行器概念设计17<br />1.12无人飞行器初步设计21<br />1.13无人飞行器详细设计22<br />1.14设计审查、评估和反馈23<br />1.15无人飞行器设计步骤24<br />简答题26第2章初步设计28<br />2.1引言28<br />2.2最大起飞重量估算28<br />2.3重量组成28<br />2.4有效载荷重量29<br />2.5自动驾驶仪重量30<br />2.6燃油重量31<br />2.7电池重量33<br />2.8空载重量36<br />2.9机翼和发动机尺寸38<br />2.10四旋翼飞行器构型41<br />简答题47<br />练习题48第3章设计规程50<br />3.1引言50<br />3.2气动特性设计51<br />3.3结构设计52<br />3.4推进系统设计55<br />3.4.1通用设计指南55<br />3.4.2电动机56<br />3.5起落架设计58<br />3.6机械和动力传动系统设计60<br />3.7电气系统61<br />3.7.1基础知识61<br />3.7.2安全建议63<br />3.7.3接线图63<br />3.7.4电线的绝缘和屏蔽64<br />3.7.5电池64<br />3.7.6发电机66<br />3.8操纵面设计66<br />3.9安全分析70<br />3.9.1设计方面的经验教训71<br />3.9.2子系统和组件可能的<br />故障模式73<br />3.10安装指南75<br />3.10.1GPS和罗盘75<br />3.10.2惯性测量单元75<br />3.10.3电动机75<br />简答题75<br />设计题76<br />练习题77第4章空气动力学设计79<br />4.1引言79<br />4.2空气动力学基础80<br />4.3机翼设计81<br />4.3.1机翼设计流程81<br />4.3.2翼型选择和设计81<br />4.3.3机翼设计方法84<br />4.3.4机翼设计步骤87<br />4.4尾翼设计88<br />4.4.1设计流程88<br />4.4.2尾翼构型89<br />4.4.3水平尾翼设计方法90<br />4.4.4水平尾翼投影面积和<br />尾翼力臂91<br />4.4.5水平尾翼翼型91<br />4.4.6水平尾翼安装角92<br />4.4.7其他水平尾翼参数93<br />4.5垂直尾翼设计93<br />4.5.1参数93<br />4.5.2垂直尾翼位置93<br />4.5.3垂直尾翼力臂93<br />4.5.4投影面积94<br />4.5.5安装角94<br />4.5.6其他垂直尾翼参数94<br />4.5.7垂直尾翼设计方法95<br />4.6机身设计95<br />4.6.1机身设计基础95<br />4.6.2机身内部布局96<br />4.6.3自动驾驶仪舱98<br />4.6.4最优长径比98<br />4.6.5机身空气动力学99<br />4.6.6放样100<br />4.6.7机身设计步骤101<br />4.7天线102<br />4.7.1固定天线102<br />4.7.2雷达抛物面天线102<br />4.7.3卫星通信天线103<br />4.7.4天线设计/安装103<br />4.8四旋翼飞行器空气<br />动力学设计103<br />4.9空气动力学设计指南104<br />简答题105<br />练习题106第5章自动驾驶仪设计基础109<br />5.1引言109<br />5.1.1自动驾驶仪和操作人员110<br />5.1.2自动驾驶仪的主要子系统111<br />5.1.3自动驾驶仪设计或选择111<br />5.2动力学建模112<br />5.2.1建模方法112<br />5.2.2基本模型114<br />5.2.3传递函数115<br />5.2.4状态空间表示117<br />5.3气动力和气动力矩117<br />5.3.1力和力矩方程117<br />5.3.2稳定性和控制导数118<br />5.3.3无量纲稳定性和控制导数118<br />5.3.4有量纲稳定性和控制导数119<br />5.3.5耦合稳定性导数120<br />5.4动力学模型的简化120<br />5.4.1线性化121<br />5.4.2解耦122<br />5.5固定翼无人飞行器<br />动力学模型124<br />5.5.1非线性全耦合运动方程124<br />5.5.2非线性半耦合运动方程125<br />5.5.3非线性解耦运动方程125<br />5.5.4线性耦合运动方程125<br />5.5.5线性解耦运动方程127<br />5.5.6重新表述的（非线性半耦合）<br />运动方程129<br />5.5.7无动力滑翔运动方程130<br />5.6动力学模型近似130<br />5.6.1纯俯仰运动的近似130<br />5.6.2纯滚转运动的近似130<br />5.6.3纯偏航运动的近似130<br />5.6.4纵向振荡模态的近似131<br />5.7四旋翼（旋翼）飞行器<br />动力学模型131<br />5.7.1四个电动机的总推力131<br />5.7.2动力学模型134<br />5.7.3简化动力学模型135<br />5.8自动驾驶仪分类135<br />5.8.1增稳系统137<br />5.8.2保持功能137<br />5.8.3导航功能138<br />5.8.4指令增强系统139<br />5.9飞行仿真：数值方法139<br />5.9.1数值积分140<br />5.9.2MATLAB和Simulink140<br />5.9.3硬件在环仿真142<br />5.10无人飞行器飞行品质142<br />5.10.1基本原理142<br />5.10.2分级、分类和可接受等级143<br />5.10.3强度限制144<br />5.11自动驾驶仪设计流程144<br />简答题145<br />练习题146第6章控制系统设计149<br />6.1引言149<br />6.2控制系统基础150<br />6.2.1组成部分、概念和定义150<br />6.2.2根轨迹法152<br />6.2.3频域法152<br />6.2.4控制器结构和控制结构154<br />6.3伺服器和执行机构155<br />6.3.1专有名词155<br />6.3.2电动机156<br />6.3.3液压执行机构156<br />6.3.4延迟157<br />6.3.5饱和158<br />6.4飞行控制要求158<br />6.4.1纵向控制要求158<br />6.4.2横向控制要求159<br />6.4.3航向控制要求159<br />6.5控制模式160<br />6.5.1耦合控制模式160<br />6.5.2巡航控制161<br />6.5.3俯仰姿态保持163<br />6.5.4机翼水平调整器163<br />6.5.5偏航阻尼器165<br />6.5.6自动着陆166<br />6.5.7转弯协调仪167<br />6.6控制器设计170<br />6.6.1PID控制器170<br />6.6.2最优控制：LQR171<br />6.6.3增益调度175<br />6.6.4鲁棒控制177<br />6.6.5数字控制177<br />6.7自主178<br />6.7.1分类178<br />6.7.2感知和避障179<br />6.7.3自动回收180<br />6.7.4故障监测180<br />6.7.5智能飞行规划180<br />6.8有人无人飞行器协同181<br />6.8.1协同的需求181<br />6.8.2协同问题表述181<br />6.8.3决策过程183<br />6.8.4协同通信流程184<br />6.8.5协同规则185<br />6.9控制系统设计流程186<br />简答题188<br />练习题189第7章制导系统设计193<br />7.1引言193<br />7.2基础知识194<br />7.2.1制导过程194<br />7.2.2制导系统组成部分195<br />7.2.3制导组件195<br />7.2.4目标探测196<br />7.2.5移动目标跟踪198<br />7.3制导律199<br />7.4指令制导律200<br />7.5PN制导律203<br />7.6追踪制导律206<br />7.7路径点制导律207<br />7.7.1路径点207<br />7.7.2路径点制导的类型208<br />7.7.3水平轨迹分段209<br />7.7.4路径点制导算法210<br />7.7.5无人飞行器机动性评估213<br />7.8感知和避障214<br />7.8.1基础知识214<br />7.8.2感知技术215<br />7.8.3避免碰撞217<br />7.9编队飞行220<br />7.10运动规划和轨迹设计222<br />7.11制导传感器：导引头223<br />7.12制导系统设计流程224<br />简答题225<br />练习题227第8章导航系统设计230<br />8.1引言230<br />8.2导航系统分类231<br />8.3坐标系232<br />8.3.1固定和移动参考系232<br />8.3.2世界大地测量系统233<br />8.4惯性导航系统234<br />8.4.1基础知识234<br />8.4.2导航方程235<br />8.4.3导航基础计算236<br />8.4.4大地坐标计算237<br />8.5卡尔曼滤波237<br />8.6全球定位系统239<br />8.6.1基础知识239<br />8.6.2地球经度和纬度240<br />8.6.3地速和空速243<br />8.7定位导航243<br />8.7.1航图测读243<br />8.7.2天文导航243<br />8.8低可见度下的导航243<br />8.9惯性导航传感器244<br />8.9.1主要功能244<br />8.9.2加速度计244<br />8.9.3陀螺仪246<br />8.9.4空速传感器248<br />8.9.5高度传感器249<br />8.9.6压力传感器250<br />8.9.7时钟/计时器251<br />8.9.8罗盘251<br />8.9.9磁强计252<br />8.9.10微机电系统惯性模块252<br />8.9.11应答机253<br />8.10导航中的干扰253<br />8.10.1风253<br />8.10.2阵风和扰动255<br />8.10.3测量噪声257<br />8.10.4漂移257<br />8.10.5科里奥利效应259<br />8.10.6磁偏260<br />8.11导航系统设计流程261<br />8.11.1设计要求261<br />8.11.2设计流程图261<br />8.11.3设计指南262<br />简答题263<br />练习题265第9章微控制器268<br />9.1引言268<br />9.2基础知识270<br />9.2.1微控制器基础270<br />9.2.2微控制器与微处理器272<br />9.2.3封装形式273<br />9.2.4模块/组件274<br />9.2.5Atmel ATmega644P276<br />9.3微控制器电路277<br />9.3.1微控制器电路板277<br />9.3.2电动机277<br />9.3.3伺服电机278<br />9.3.4传感器278<br />9.3.5电位器278<br />9.4嵌入式系统279<br />9.4.1简介279<br />9.4.2嵌入式处理器279<br />9.4.3信号流279<br />9.5微控制器编程280<br />9.5.1软件开发280<br />9.5.2操作系统280<br />9.5.3管理软件281<br />9.5.4微控制器编程281<br />9.5.5软件集成282<br />9.5.6高级编程语言282<br />9.5.7编译器283<br />9.5.8调试283<br />9.6C语言编程283<br />9.6.1简介283<br />9.6.2C语言程序的一般结构283<br />9.6.3示例代码：检测失效LED284<br />9.6.4执行C语言程序285<br />9.7Arduino286<br />9.7.1Arduino概述286<br />9.7.2Arduino编程287<br />9.7.3Arduino Uno板288<br />9.7.4升降舵的开环控制289<br />9.7.5Arduino和MATLAB290<br />9.8开源商用自动驾驶仪291<br />9.8.1ArduPilot自动驾驶仪291<br />9.8.2PX4 Pixhawk自动驾驶仪292<br />9.8.3MicroPilot自动驾驶仪292<br />9.8.4DJI WooKong自动驾驶仪293<br />9.9设计流程294<br />9.10项目设计294<br />9.10.1问题陈述294<br />9.10.2设计与实现295<br />9.10.3Arduino代码296<br />9.10.4程序296<br />9.10.5用于实时绘图的<br />MATLAB代码297<br />9.10.6系统响应和结果298<br />简答题298<br />练习题299<br />设计题301第10章发射和回收系统设计302<br />10.1引言302<br />10.2发射技术303<br />10.2.1火箭助推发射304<br />10.2.2弹力绳发射305<br />10.2.3气动发射器发射307<br />10.2.4液压发射器发射308<br />10.2.5空中发射309<br />10.2.6手动发射309<br />10.3发射装置310<br />10.3.1组成部分310<br />10.3.2坡道/滑道311<br />10.3.3推进装置312<br />10.3.4升降平台312<br />10.3.5动力源314<br />10.4发射基本原理314<br />10.4.1基本原理314<br />10.4.2控制发射方程315<br />10.4.3机翼和水平尾翼的作用317<br />10.4.4无人飞行器纵向配平318<br />10.5升降机构设计320<br />10.5.1升降机构操作320<br />10.5.2液压和气动执行机构320<br />10.6垂直起降321<br />10.7回收技术321<br />10.7.1基本原理321<br />10.7.2撞网回收322<br />10.7.3阻拦索回收323<br />10.7.4天钩回收324<br />10.7.5风向筒回收324<br />10.7.6降落伞回收325<br />10.8回收原理326<br />10.8.1降落伞回收326<br />10.8.2撞击回收326<br />10.9发射和回收系统的移动性327<br />10.9.1移动性要求327<br />10.9.2传统轮式车辆327<br />10.10发射和回收系统设计流程328<br />10.10.1发射和回收技术选择328<br />10.10.2发射系统设计330<br />10.10.3回收系统设计331<br />简答题331<br />练习题333<br />设计题335第11章地面控制站336<br />11.1引言336<br />11.2地面控制站子系统338<br />11.3地面站类型338<br />11.3.1手持无线电控制器339<br />11.3.2便携式地面控制站342<br />11.3.3移动卡车344<br />11.3.4中央指挥站346<br />11.3.5海上控制站347<br />11.3.6通用地面控制站347<br />11.4多无人飞行器的<br />地面控制站348<br />11.4.1“全球鹰”348<br />11.4.2“捕食者”349<br />11.4.3MQ-5A“猎人”349<br />11.4.4“影子200”350<br />11.4.5DJI“精灵”350<br />11.4.6雅马哈RMAX351<br />11.5人体工程学设计要求351<br />11.5.1地面站飞行员/操作员<br />数量351<br />11.5.2人体工程学352<br />11.5.3人类飞行员/操作员的<br />特征353<br />11.5.4控制台尺寸和限制353<br />11.6辅助设备355<br />11.6.1简介355<br />11.6.2运输设备356<br />11.6.3发电机357<br />11.6.4暖通空调系统357<br />11.6.5其他设备357<br />11.7地面控制站设计流程357<br />简答题359<br />练习题360<br />设计题361<br />实验361第12章有效载荷选择和设计363<br />12.1引言363<br />12.2有效载荷组成364<br />12.2.1有效载荷定义364<br />12.2.2有效载荷分类364<br />12.3典型无人飞行器的<br />有效载荷365<br />12.3.1RQ-4“全球鹰”365<br />12.3.2MQ-9“捕食者”B<br />“收割者”366<br />12.3.3RQ-7“影子200”367<br />12.3.4RQ-5A“猎人”367<br />12.3.5DJI“精灵”四旋翼飞行器367<br />12.3.6X-45 无人战斗飞行器367<br />12.3.7雅马哈RMAX367<br />12.4货运有效载荷368<br />12.5侦察/监视有效载荷369<br />12.5.1光电相机369<br />12.5.2红外相机373<br />12.5.3雷达374<br />12.5.4激光雷达379<br />12.5.5测距仪380<br />12.5.6激光指示器381<br />12.5.7雷达告警接收机381<br />12.6科研有效载荷382<br />12.6.1分类382<br />12.6.2温度传感器384<br />12.7军事有效载荷384<br />12.8电子对抗有效载荷385<br />12.9有效载荷安装387<br />12.9.1有效载荷连接387<br />12.9.2有效载荷位置388<br />12.9.3有效载荷空气动力学389<br />12.9.4有效载荷结构一体化392<br />12.9.5有效载荷稳定393<br />12.10有效载荷的控制和管理394<br />12.11有效载荷设计指南395<br />简答题397<br />练习题398<br />设计题399第13章通信系统设计402<br />13.1引言402<br />13.2数据链404<br />13.3发射机405<br />13.4接收机407<br />13.5天线408<br />13.6无线电频率410<br />13.7加密412<br />13.8个别无人飞行器的通信系统413<br />13.9安装415<br />13.10通信系统设计流程415<br />13.11基于Arduino开发板的<br />双向通信417<br />13.11.1通信模块417<br />13.11.2NRF24L01模块417<br />13.11.3蓝牙模块419<br />13.11.4应用420<br />简答题424<br />练习题425<br />实验426<br />设计题427第14章设计分析和反馈428<br />14.1引言428<br />14.2设计反馈回路429<br />14.3重量和平衡430<br />14.3.1无人飞行器重心430<br />14.3.2重量分布432<br />14.4稳定性分析433<br />14.4.1基本原理433<br />14.4.2纵向静稳定性433<br />14.4.3纵向动稳定性434<br />14.4.4横向航向静稳定性434<br />14.4.5横向航向动稳定性435<br />14.4.6稳定性导数的典型值436<br />14.5可控性分析437<br />14.5.1纵向控制437<br />14.5.2横向控制439<br />14.5.3航向控制439<br />14.5.4控制导数的典型值439<br />14.6飞行性能分析440<br />14.6.1最大速度440<br />14.6.2最大航程441<br />14.6.3最大续航时间442<br />14.6.4爬升性能442<br />14.6.5起飞性能443<br />14.6.6转弯性能444<br />14.6.7绝对升限446<br />14.7成本分析447<br />简答题448<br />练习题450缩略语454<br />参数命名458<br />参考文献463<br />索引470