多旋翼飞行器:从原理到实践

本书是多旋翼飞行器的一本人门级教材，也是一本从原理到操作实践的手册。它首先介绍了多旋翼飞行器的基本概念、飞行原理、发展历史等内容;然后，对其系统组成以及机架、动力系统、通信系统、飞行控制系统等重要组成部分进行了详细介绍;最后，介绍了组装调试、操控和维护、行业应用和发展等知识。总得来说，本书做到了理论讲解和实践操作的有机融合，做到了内容的全面与细致，也在处处讲解安全操作，培养读者的安全意识。我们也为本书配备了大量教学和实践操作视频，帮助读者更好地学习和掌握本书内容。本书定位为面向本科低年级、高职等学生群体的多旋翼飞行器课程教材，同时也适合作为广大多旋翼飞行器爱好者的入门参考书。

第1章绪论1
1.1基本概念2
1.1.1常见飞行器的分类2
1.1.2无人驾驶飞行器和航空模型4
1.1.3飞行原理5
1.2多旋翼操控原理和性能评估7
1.2.1操控原理7
1.2.2性能评估10
1.2.3瓶颈12
1.3多旋翼发展历史13
1.3.1第一阶段（1990年以前）：休眠期13
1.3.2第二阶段（1990―2005年）：复苏期14
1.3.3第三阶段（2005―2010年）：发展期15
1.3.4第四阶段（2010―2013年）：活跃期16
1.3.5第五阶段（2013―2016年）：爆发期18
1.3.6第六阶段（2016―2017年）：回调期21
1.3.7第七阶段（2018年至今）：爬升期22
1.3.8评注23
1.4本书的目的和写作结构24
1.4.1本书的目的24
1.4.2写作结构24
思考题26
第2章系统基本组成28
2.1总体介绍28
2.2机架31
2.2.1机身31
2.2.2脚架33
2.2.3涵道33
2.3动力系统34
2.3.1螺旋桨34
2.3.2电机37
2.3.3电调41
2.3.4电源43
2.4通信系统49
2.4.1通信频率规范.49
2.4.2数传50
2.4.3图传52
2.4.4遥控器和接收机.54
2.4.5天线56
2.5飞行控制系统57
2.5.1自驾仪57
2.5.2地面站62
2.6载荷系统66
2.6.1吊舱和云台67
2.6.2激光雷达68
2.6.3正摄摄影与倾斜摄影68
思考题70
第3章机架设计和参数测量.71
3.1坐标系和欧拉角.71
3.1.1坐标系71
3.1.2欧拉角74
3.2布局设计75
3.2.1机架布局75
3.2.2气动布局81
3.3结构设计83
3.3.1机架结构设计原则.83
3.3.2减振考虑83
3.4重心和转动惯量测量86
3.4.1重心测量.86
3.4.2转动惯量测量.87
3.5本章实践88
3.5.1课堂实践：欧拉角实验88
3.5.2课堂实践：转动惯量测试实验89
3.5.3课外实践：自驾仪与机架的减振91
第4章动力系统配置和设计.92
4.1问题描述92
4.2动力系统建模93
4.2.1螺旋桨建模93
4.2.2电机建模95
4.2.3电调建模96
4.2.4电池建模97
4.3性能估算98
4.3.1求解问题198
4.3.2求解问题2
4.3.3求解问题3101
4.3.4求解问题4102
4.3.5估算例子104
4.4动力系统设计111
4.4.1基本设计原则.111
4.4.2动力系统匹配选型细则111
4.4.3设计目标112
4.4.4步骤112
4.4.5使用网站反向设计多旋翼118
4.5本章实践119
4.5.1课堂实践：电池的充放电测试119
4.5.2课堂实践：电调校准.121
4.5.3课堂实践：拉力和力矩测试实践123
4.5.4课堂实践：动力系统的优化选型测试128
4.5.5课外实践：动力系统设计.130
4.6附录131
4.6.1求解螺旋桨拉力系数和转矩系数的详细步骤131
4.6.2求解电机等效电压和电流的详细步骤133
第5章通信系统配置和测试136
5.1无线电通信原理136
5.1.1电磁波137
5.1.2通信系统的组成137
5.1.3频率与波长138
5.1.4调制与解调138
5.2遥控器和接收机140
5.2.1遥控器140
5.2.2接收机141
5.2.3遥控器和接收机的频率.142
5.2.4遥控器和接收机的选购.143
5.2.5遥控器和接收机的配置与测试143
5.3数据传输146
5.3.1数据传输基础146
5.3.2数据传输模块的选购.147
5.3.3数据传输模块的配置和测试147
5.4图像传输148
5.4.1图像传输基础148
5.4.2图像传输设备的选购.149
5.4.3图像传输设备配置和测试.149
5.5自组网传输151
5.5.1自组网技术概述151
5.5.2自组网通信协议152
5.5.3无人机机群组网拓扑结构.153
5.6本章实践155
5.6.1课堂实践：遥控器与接收机对频155
5.6.2课堂实践：遥控器设置.156
5.6.3课堂实践：遥控器校准.157
5.6.4课堂实践：数传设备的调试159
5.6.5课堂实践：数传设备的远距调试162
5.6.6课堂实践：图传设备的调试163
5.6.7课堂实践：图传设备的远距调试164
第6章自驾仪校准和姿态控制调试166
6.1传感器原理和校准166
6.1.1总体介绍166
6.1.2三轴加速度计168
6.1.3三轴角速率陀螺仪169
6.1.4三轴磁力计170
6.1.5气压计170
6.1.6超声波测距仪172
6.1.7雷达172
6.1.8全球卫星导航系统173
6.1.9摄像机175
6.2状态估计176
6.2.1滤波原理176
6.2.2姿态估计177
6.2.3位置估计181
6.3姿态控制和调试184
6.3.1动态系统的基本描述.184
6.3.2PID原理和调试步骤185
6.3.3飞行模式187
6.4本章实践188
6.4.1课堂实践和加速度计校准.188
6.4.2课堂实践：磁力计校准.191
6.4.3课堂实践：滤波器参数调节192
6.4.4课堂实践：姿态控制PID调参.194
6.4.5课外实践：GNSS系统实践197
6.4.6课外实践：滤波器实验.197
6.4.7课外实践：PID调参实验198
第7章组装和位置控制调试199
7.1多旋翼组装199
7.1.1组装前的注意事项199
7.1.2多旋翼组装流程200
7.2多旋翼调试215
7.2.1多旋翼调试总体步骤.215
7.2.2位置控制器调试217
7.3本章实践224
7.3.1课堂实践：多旋翼组装.224
7.3.2课堂实践：多旋翼悬停调试232
7.3.3课外实践232
第8章操控和维护233
8.1法律法规233
8.1.1法律法规及其他规范性文件233
8.1.2空域申请235
8.2飞前准备238
8.2.1飞行环境评估238
8.2.2多旋翼系统硬件检查.239
8.2.3多旋翼地面站监控信息检查240
8.2.4通信链路检查241
8.3遥控器飞行操控242
8.3.1模拟遥控飞行训练242
8.3.2实际遥控飞行训练247
8.4地面站飞行操控249
8.4.1多旋翼地面站界面249
8.4.2飞行控制251
8.4.3全自主飞行流程252
8.5常见的故障及维修257
8.6本章实践259
8.6.1课堂实践：多旋翼遥控飞行模拟操作259
8.6.2课堂实践：地面站航线飞行软件仿真259
8.6.3课外实践261
第9章展望263
9.1多旋翼的新设计263
9.1.1笼式多旋翼263
9.1.2折叠多旋翼264
9.1.3全向多旋翼265
9.1.4带机械臂多旋翼265
9.1.5系留多旋翼266
9.1.6固定翼―多旋翼复合式飞行器268
9.1.7尾座式多旋翼268
9.1.8升力翼多旋翼269
9.1.9双旋翼270
9.1.10多栖多旋翼271
9.2多旋翼的新应用272
9.2.1民用多旋翼272
9.2.2军用多旋翼282
9.3反无人机技术283
9.3.1无人机探测技术283
9.3.2无人机反制技术283
9.3.3反无人机装备284
9.3.4无人机网络安全289
9.4多旋翼的新发展290
9.4.1安全性290
9.4.2自主性291
9.4.3集群性291
9.4.4有序性292
9.4.5多样性292
思考题.293
附录A课堂实践软硬件清单294
附录B第7章自组装小飞机主要硬件清单297
参考文献298