多旋翼无人机系统与应用

本书从技术与应用相结合的角度, 系统地介绍了多旋翼无人机系统的基本理论、设计方法与应用示范。全书内容包括多旋翼无人机的基本概念、飞行原理与动力学建模、系统构成与实现、空气动力学、导航信息融合、姿态稳定与航迹跟踪控制、故障容错控制、载荷系统以及应用示范。 本书适合多旋翼无人机领域的技术人员阅读, 也可以作为高等院校无人机专业高年级本科生和研究生的教学参考。

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第1章　绪论　/1 　参考文献　/2 第2章　多旋翼无人机的飞行原理与动力学建模　/4 　2.1　多旋翼无人机的飞行原理　/4 　2.2　多旋翼无人机的动力学建模　/5 　　　2.2.1　坐标及坐标转换关系　/5 　　　2.2.2　多旋翼无人机动力学方程　/7 　　　2.2.3　多旋翼无人机运动学方程　/9 　　　2.2.4　多旋翼无人机控制关系方程　/10 　　　2.2.5　多旋翼无人机运动方程组　/12 　　　2.2.6　多旋翼无人机的机动性能分析　/13 　2.3　多旋翼无人机稳定飞行基本条件　/17 　　　2.3.1　无人机硬件可靠性　/17 　　　2.3.2　无人机软件可靠性　/18 　参考文献　/19 第3章　多旋翼无人机系统构成与实现　/20 　3.1　执行单元　/20 　　　3.1.1　螺旋桨　/20 　　　3.1.2　电机与电调　/20 　3.2　飞行控制系统　/21 　3.3　地面站系统　/23 　3.4　导航系统　/25 　3.5　测控链路　/26 　　　3.5.1　长距离遥控遥测装置　/26 　　　3.5.2　高清无线数字视频发射机　/26 　　　3.5.3　手持高清无线视频接收机　/28 　3.6　多旋翼无人机系统自主控制体系结构　/29 　参考文献　/30 第4章　多旋翼无人机空气动力学　/32 　4.1　概述　/32 　4.2　低雷诺数下的多旋翼系统　/33 　　　4.2.1　考虑空气黏度的旋翼气动理论计算　/33 　　　4.2.2　考虑旋翼间干扰的多旋翼系统　/36 　　　4.2.3　黏性效应和翼间干扰的影响　/40 　4.3　数值模拟方法及验证　/40 　　　4.3.1　旋翼数值模拟方法　/41 　　　4.3.2　单旋翼数值模拟　/46 　　　4.3.3　单旋翼实验验证　/49 　4.4　共轴双旋翼单元气动特性分析　/53 　4.5　非平面式双旋翼单元气动特性分析　/64 　　　4.5.1　非平面双旋翼实验研究　/64 　　　4.5.2　非平面双旋翼气动特性数值模拟　/75 　4.6　非平面式双旋翼单元来流实验研究　/84 　　　4.6.1　实验设计　/84 　　　4.6.2　非平面旋翼实验结果分析　/85 　参考文献　/98 第5章　多旋翼无人机导航信息融合　/100 　5.1　引言　/100 　5.2　传感器特性分析与数据预处理　/101 　　　5.2.1　传感器介绍与特性分析　/101 　　　5.2.2　传感器误差分析与校正　/104 　5.3　多旋翼无人机姿态信息融合　/116 　　　5.3.1　非线性姿态角信息融合系统建模　/117 　　　5.3.2　姿态信息融合算法设计　/118 　　　5.3.3　姿态信息融合实验与分析　/121 　5.4　多旋翼无人机位置、速度信息融合　/124 　　　5.4.1　水平方向速度和位置信息融合　/125 　　　5.4.2　垂直方向速度和位置信息融合　/127 　5.5　低成本组合导航传感器特性分析与预处理　/131 　　　5.5.1　组合导航传感器特性分析　/132 　　　5.5.2　INS误差源分析及预处理　/135 　　　5.5.3　磁力计/气压高度计/GNSS误差建模和预处理　/141 　5.6　低成本组合导航信息融合　/144 　　　5.6.1　组合导航信息算法选定　/145 　　　5.6.2　高维数EKF算法设计　/147 　　　5.6.3　组合导航EKF初始对准及方差自适应整定　/155 　　　5.6.4　EKF-CPF动态容错算法　/159 　　　5.6.5　组合导航EKF-CPF仿真设计与验证　/161 　　　5.6.6　组合导航EKF-CPF算法实测分析　/171 　5.7　多旋翼无人机状态感知　/174 　参考文献　/178 第6章　多旋翼无人机姿态稳定与航迹跟踪控制　/180 　6.1　概述　/180 　6.2　多旋翼无人机姿态稳定控制器设计与实验　/180 　　　6.2.1　多旋翼无人机姿态稳定控制模型　/181 　　　6.2.2　自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制器设计　/182 　　　6.2.3　自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制仿真验证　/187 　6.3　多旋翼无人机航迹跟踪控制器设计与实验　/192 　　　6.3.1　自抗扰航迹跟踪控制器　/192 　　　6.3.2　线性自抗扰航迹跟踪控制器　/197 　　　6.3.3　倾斜转弯模式自主轨迹跟踪控制器　/204 　6.4　多旋翼无人机姿态抗饱和控制器设计与实验　/210 　　　6.4.1　无人机偏航静态抗饱和控制　/211 　　　6.4.2　无人机偏航抗积分饱和控制　/216 　参考文献　/229 第7章　多旋翼无人机的故障容错控制　/232 　7.1　概述　/232 　7.2　多旋翼无人机执行单元的故障模型　/233 　　　7.2.1　直流电动机的数学模型　/233 　　　7.2.2　驱动电路板故障　/237 　　　7.2.3　旋翼的升力模型　/241 　　　7.2.4　执行单元升力故障模型　/248 　7.3　十二旋翼无人机增益型故障容错控制　/249 　　　7.3.1　增益型故障情况下十二旋翼无人机的数学模型　/249 　　　7.3.2　十二旋翼无人机增益型故障检测算法设计　/250 　　　7.3.3　多旋翼无人机增益型故障重构容错控制器设计　/252 　　　7.3.4　十二旋翼无人机增益型故障容错控制仿真实验　/255 　　　7.3.5　对比四旋翼无人机增益型故障容错控制　/259 　7.4　十二旋翼无人机执行单元失效型故障容错控制　/262 　　　7.4.1　四旋翼无人机故障下的动力学特性　/263 　　　7.4.2　十二旋翼无人机的失效型故障下的动力学分析　/264 　　　7.4.3　十二旋翼无人机失效型故障的故障检测算法　/266 　　　7.4.4　十二旋翼无人机失效型故障容错控制仿真实验　/267 　7.5　六旋翼无人机容错控制　/268 　　　7.5.1　执行单元故障检测与诊断系统　/268 　　　7.5.2　基于最优分类面的故障诊断算法　/270 　　　7.5.3　基于扩展卡尔曼滤波算法的故障观测器　/273 　　　7.5.4　自重构控制算法　/281 　参考文献　/287 第8章　多旋翼无人机载荷系统　/289 　8.1　光电载荷云台设计　/289 　　　8.1.1　光电载荷云台　/289 　　　8.1.2　光电载荷云台静力学分析　/289 　　　8.1.3　光电载荷云台振动分析　/291 　　　8.1.4　光电载荷云台结构优化　/294 　　　8.1.5　光电载荷云台控制系统设计　/297 　　　8.1.6　光电载荷云台复合补偿控制方法　/302 　　　8.1.7　系统设计与实验分析　/326 　8.2　生物制剂投放装置设计　/340 　8.3　农药喷洒装置设计　/341 　参考文献　/343 第9章　多旋翼无人机应用示范　/345 　9.1　生物防治应用　/345 　　　9.1.1　基于多旋翼无人机的智能投放系统应用示范　/345 　　　9.1.2　基于多旋翼无人机的智能投放系统标准化操作流程　/348 　9.2　精准农业应用　/349 　　　9.2.1　多旋翼无人机光谱遥感系统　/350 　　　9.2.2　水稻氮元素光谱实验分析　/351 　　　9.2.3　水稻叶片信息获取与分析　/355 　　　9.2.4　基于多旋翼无人机的遥感数据采集系统标准化操作流程　/358 　参考文献　/359 索引　/360