高机动能力旋翼无人飞行器设计与控制

   多旋翼无人飞行器技术发展迅速，应用广泛，在生产和生活中发挥着日益重要的作用。传统旋翼无人飞行器具有欠驱动特性，其平移和旋转运动存在强耦合，了飞行器的机动性能；在高机动能力、高容错和抗扰能力要求的应用场合，非平面配置的多旋翼无人飞行器正获得越来越多的重视。

本书从多种新形态旋翼无人飞行器的结构特点入手，阐述其运动和动力学建模、可控性评估、控制率分配和控制策略设计，由物理概念拓展到较深入的非线性系统分析和控制理论，全书由浅入深、循序渐进，便于读者理解。

本书可作为自动化、机器人、机电一体化等领域高年级本科生、研究生和青年科技工作者的教学参考书或工具书。

第1章绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 过驱动多旋翼飞行器优化设计 4
1.2.2 飞行器姿态描述方法 11
1.2.3 多旋翼飞行器控制策略 12
1.2.4 多旋翼飞行器轨迹规划策略 16
1.3 研究内容及方法 18
第2章多旋翼飞行器可控性评估 22
2.1 引言 22
2.2 多旋翼飞行器系统组成及运动机理 23
2.2.1 系统组成 23
2.2.2 运动机理 27
2.2.3 动力学建模 29
2.3 多旋翼飞行器可控性分析 30
2.3.1 转子旋转方向的影响 33
2.3.2 机臂旋转的影响 34
2.3.3 机臂倾斜的影响 35
2.4 多旋翼飞行器结构容错性分析 38
2.4.1 共面配置结构的容错性 38
2.4.2 非共面配置结构的容错性 41
2.5 本章小结 44
第3章大角度机动矢量四旋翼飞行器及其5D轨迹跟踪控制 45
3.1 引言 45
3.2 结构设计与运动机理分析 46
3.2.1 结构设计 46
3.2.2 运动模式分析 48
3.2.3 可控性分析 51
3.3 控制器设计 52
3.3.1 动力学模型 52
3.3.2 非线性模型预测控制 54
3.3.3 控制分配 57
3.4 实验验证 58
3.4.1 样机制作 58
3.4.2 倾转悬停测试 59
3.4.3 轨迹跟踪测试 61
3.4.4 地面行驶测试 63
3.5 本章小结 64
第4章模块化可重构多旋翼飞行器及其6D 轨迹跟踪控制 66
4.1 引言 66
4.2 结构设计 68
4.2.1 双自由度倾转模组设计 68
4.2.2 拓扑结构分析 70
4.3 动力学模型 77
4.3.1 双自由度倾转模组 77
4.3.2 多旋翼飞行器动力学几何描述 79
4.4 控制器设计 80
4.5 仿真测试 83
4.5.1 双旋翼飞行器 83
4.5.2 过驱动四旋翼飞行器 84
4.5.3 全向飞行器 84
4.6 实验验证 86
4.6.1 样机实现 86
4.6.2 双自由度倾转模组测试 86
4.6.3 悬停测试 87
4.6.4 全向运动测试 89
4.7 本章小结 90
第5章微型过驱动八旋翼飞行器碰撞恢复控制及其很优轨迹 91
5.1 引言 91
5.2 结构设计与运动机理分析 92
5.2.1 样机优化设计 93
5.2.2 动力学模型 99
5.3 控制器框架 99
5.3.1 姿态控制策略 100
5.3.2 外部力矩估计 102
5.4 “顺势而为”仿生三维碰撞恢复策略 102
5.4.1 碰撞恢复策略描述 102
5.4.2 “顺势而为”轨迹生成 104
5.4.3 实验验证 107
5.5 很优时间6D 轨迹生成算法 113
5.5.1 空间域轨迹生成 113
5.5.2 时间域轨迹生成 114
5.5.3 数值求解 116
5.5.4 实验验证 118
5.6 本章小结 123
第6章新型同步倾斜转子六旋翼飞行器的设计与控制 124
6.1 引言 124
6.2 机械结构设计 125
6.3 系统建模与分析 127
6.3.1 动力学模型 127
6.3.2 飞行器分析与讨论 129
6.3.3 双锥可达集 130
6.4 全姿态几何控制 131
6.4.1 位置控制 132
6.4.2 姿态控制 133
6.4.3 控制分配 135
6.5 仿真测试 135
6.5.1 倾转悬停仿真实验 135
6.5.2 轨迹跟踪仿真实验 136
6.6 实验验证 136
6.6.1 样机制作 136
6.6.2 定点姿态倾斜实验 137
6.6.3 6D 轨迹跟踪实验 137
6.7 本章小结 140
第7章结论与展望 141
参考文献 143