無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計包括三個部分的無人機(jī)設(shè)計（車輛設(shè)計、自動駕駛儀設(shè)計和地面系統(tǒng)設(shè)計），該書使讀者能夠充分理解這一主題背后的科學(xué)，從而能夠展示自己在應(yīng)用這些概念方面的創(chuàng)造性。它教授學(xué)生和工程師所有的知識：無人機(jī)分類、設(shè)計組、設(shè)計要求、任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和設(shè)計程序。它使他們深入了解地面站、動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、自動飛行控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及發(fā)射和回收系統(tǒng)。學(xué)生還將學(xué)習(xí)有效載荷、制造注意事項(xiàng)、設(shè)計挑戰(zhàn)、飛行軟件、微控制器和設(shè)計示例。此外，該書主要強(qiáng)調(diào)自動飛行控制系統(tǒng)和自動駕駛儀。該書是本科高年級和研究生相關(guān)課程教材。
目錄
譯者序
前言
第1章設(shè)計基礎(chǔ)1
1.1引言1
1.2無人飛行器的分類4
1.3典型無人飛行器回顧6
1.3.1“全球鷹”7
1.3.2RQ-1A“捕食者”7
1.3.3MQ-9“捕食者”B
“收割者”8
1.3.4RQ-5A“獵人”9
1.3.5RQ-7“影子200”9
1.3.6RQ-2A“先鋒”9
1.3.7RQ-170“哨兵”10
1.3.8X-45A無人戰(zhàn)斗飛行器10
1.3.9愛普生微型飛行機(jī)器人10
1.4設(shè)計項(xiàng)目規(guī)劃11
1.5決策12
1.6設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)和優(yōu)先級12
1.7可行性分析14
1.8設(shè)計小組14
1.9設(shè)計流程15
1.10系統(tǒng)工程方法15
1.11無人飛行器概念設(shè)計17
1.12無人飛行器初步設(shè)計21
1.13無人飛行器詳細(xì)設(shè)計22
1.14設(shè)計審查、評估和反饋23
1.15無人飛行器設(shè)計步驟24
簡答題26第2章初步設(shè)計28
2.1引言28
2.2最大起飛重量估算28
2.3重量組成28
2.4有效載荷重量29
2.5自動駕駛儀重量30
2.6燃油重量31
2.7電池重量33
2.8空載重量36
2.9機(jī)翼和發(fā)動機(jī)尺寸38
2.10四旋翼飛行器構(gòu)型41
簡答題47
練習(xí)題48第3章設(shè)計規(guī)程50
3.1引言50
3.2氣動特性設(shè)計51
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計52
3.4推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計55
3.4.1通用設(shè)計指南55
3.4.2電動機(jī)56
3.5起落架設(shè)計58
3.6機(jī)械和動力傳動系統(tǒng)設(shè)計60
3.7電氣系統(tǒng)61
3.7.1基礎(chǔ)知識61
3.7.2安全建議63
3.7.3接線圖63
3.7.4電線的絕緣和屏蔽64
3.7.5電池64
3.7.6發(fā)電機(jī)66
3.8操縱面設(shè)計66
3.9安全分析70
3.9.1設(shè)計方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)71
3.9.2子系統(tǒng)和組件可能的
故障模式73
3.10安裝指南75
3.10.1GPS和羅盤75
3.10.2慣性測量單元75
3.10.3電動機(jī)75
簡答題75
設(shè)計題76
練習(xí)題77第4章空氣動力學(xué)設(shè)計79
4.1引言79
4.2空氣動力學(xué)基礎(chǔ)80
4.3機(jī)翼設(shè)計81
4.3.1機(jī)翼設(shè)計流程81
4.3.2翼型選擇和設(shè)計81
4.3.3機(jī)翼設(shè)計方法84
4.3.4機(jī)翼設(shè)計步驟87
4.4尾翼設(shè)計88
4.4.1設(shè)計流程88
4.4.2尾翼構(gòu)型89
4.4.3水平尾翼設(shè)計方法90
4.4.4水平尾翼投影面積和
尾翼力臂91
4.4.5水平尾翼翼型91
4.4.6水平尾翼安裝角92
4.4.7其他水平尾翼參數(shù)93
4.5垂直尾翼設(shè)計93
4.5.1參數(shù)93
4.5.2垂直尾翼位置93
4.5.3垂直尾翼力臂93
4.5.4投影面積94
4.5.5安裝角94
4.5.6其他垂直尾翼參數(shù)94
4.5.7垂直尾翼設(shè)計方法95
4.6機(jī)身設(shè)計95
4.6.1機(jī)身設(shè)計基礎(chǔ)95
4.6.2機(jī)身內(nèi)部布局96
4.6.3自動駕駛儀艙98
4.6.4最優(yōu)長徑比98
4.6.5機(jī)身空氣動力學(xué)99
4.6.6放樣100
4.6.7機(jī)身設(shè)計步驟101
4.7天線102
4.7.1固定天線102
4.7.2雷達(dá)拋物面天線102
4.7.3衛(wèi)星通信天線103
4.7.4天線設(shè)計/安裝103
4.8四旋翼飛行器空氣
動力學(xué)設(shè)計103
4.9空氣動力學(xué)設(shè)計指南104
簡答題105
練習(xí)題106第5章自動駕駛儀設(shè)計基礎(chǔ)109
5.1引言109
5.1.1自動駕駛儀和操作人員110
5.1.2自動駕駛儀的主要子系統(tǒng)111
5.1.3自動駕駛儀設(shè)計或選擇111
5.2動力學(xué)建模112
5.2.1建模方法112
5.2.2基本模型114
5.2.3傳遞函數(shù)115
5.2.4狀態(tài)空間表示117
5.3氣動力和氣動力矩117
5.3.1力和力矩方程117
5.3.2穩(wěn)定性和控制導(dǎo)數(shù)118
5.3.3無量綱穩(wěn)定性和控制導(dǎo)數(shù)118
5.3.4有量綱穩(wěn)定性和控制導(dǎo)數(shù)119
5.3.5耦合穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)120
5.4動力學(xué)模型的簡化120
5.4.1線性化121
5.4.2解耦122
5.5固定翼無人飛行器
動力學(xué)模型124
5.5.1非線性全耦合運(yùn)動方程124
5.5.2非線性半耦合運(yùn)動方程125
5.5.3非線性解耦運(yùn)動方程125
5.5.4線性耦合運(yùn)動方程125
5.5.5線性解耦運(yùn)動方程127
5.5.6重新表述的（非線性半耦合）
運(yùn)動方程129
5.5.7無動力滑翔運(yùn)動方程130
5.6動力學(xué)模型近似130
5.6.1純俯仰運(yùn)動的近似130
5.6.2純滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的近似130
5.6.3純偏航運(yùn)動的近似130
5.6.4縱向振蕩模態(tài)的近似131
5.7四旋翼（旋翼）飛行器
動力學(xué)模型131
5.7.1四個電動機(jī)的總推力131
5.7.2動力學(xué)模型134
5.7.3簡化動力學(xué)模型135
5.8自動駕駛儀分類135
5.8.1增穩(wěn)系統(tǒng)137
5.8.2保持功能137
5.8.3導(dǎo)航功能138
5.8.4指令增強(qiáng)系統(tǒng)139
5.9飛行仿真：數(shù)值方法139
5.9.1數(shù)值積分140
5.9.2MATLAB和Simulink140
5.9.3硬件在環(huán)仿真142
5.10無人飛行器飛行品質(zhì)142
5.10.1基本原理142
5.10.2分級、分類和可接受等級143
5.10.3強(qiáng)度限制144
5.11自動駕駛儀設(shè)計流程144
簡答題145
練習(xí)題146第6章控制系統(tǒng)設(shè)計149
6.1引言149
6.2控制系統(tǒng)基礎(chǔ)150
6.2.1組成部分、概念和定義150
6.2.2根軌跡法152
6.2.3頻域法152
6.2.4控制器結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)154
6.3伺服器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)155
6.3.1專有名詞155
6.3.2電動機(jī)156
6.3.3液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)156
6.3.4延遲157
6.3.5飽和158
6.4飛行控制要求158
6.4.1縱向控制要求158
6.4.2橫向控制要求159
6.4.3航向控制要求159
6.5控制模式160
6.5.1耦合控制模式160
6.5.2巡航控制161
6.5.3俯仰姿態(tài)保持163
6.5.4機(jī)翼水平調(diào)整器163
6.5.5偏航阻尼器165
6.5.6自動著陸166
6.5.7轉(zhuǎn)彎協(xié)調(diào)儀167
6.6控制器設(shè)計170
6.6.1PID控制器170
6.6.2最優(yōu)控制：LQR171
6.6.3增益調(diào)度175
6.6.4魯棒控制177
6.6.5數(shù)字控制177
6.7自主178
6.7.1分類178
6.7.2感知和避障179
6.7.3自動回收180
6.7.4故障監(jiān)測180
6.7.5智能飛行規(guī)劃180
6.8有人無人飛行器協(xié)同181
6.8.1協(xié)同的需求181
6.8.2協(xié)同問題表述181
6.8.3決策過程183
6.8.4協(xié)同通信流程184
6.8.5協(xié)同規(guī)則185
6.9控制系統(tǒng)設(shè)計流程186
簡答題188
練習(xí)題189第7章制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計193
7.1引言193
7.2基礎(chǔ)知識194
7.2.1制導(dǎo)過程194
7.2.2制導(dǎo)系統(tǒng)組成部分195
7.2.3制導(dǎo)組件195
7.2.4目標(biāo)探測196
7.2.5移動目標(biāo)跟蹤198
7.3制導(dǎo)律199
7.4指令制導(dǎo)律200
7.5PN制導(dǎo)律203
7.6追蹤制導(dǎo)律206
7.7路徑點(diǎn)制導(dǎo)律207
7.7.1路徑點(diǎn)207
7.7.2路徑點(diǎn)制導(dǎo)的類型208
7.7.3水平軌跡分段209
7.7.4路徑點(diǎn)制導(dǎo)算法210
7.7.5無人飛行器機(jī)動性評估213
7.8感知和避障214
7.8.1基礎(chǔ)知識214
7.8.2感知技術(shù)215
7.8.3避免碰撞217
7.9編隊(duì)飛行220
7.10運(yùn)動規(guī)劃和軌跡設(shè)計222
7.11制導(dǎo)傳感器：導(dǎo)引頭223
7.12制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計流程224
簡答題225
練習(xí)題227第8章導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計230
8.1引言230
8.2導(dǎo)航系統(tǒng)分類231
8.3坐標(biāo)系232
8.3.1固定和移動參考系232
8.3.2世界大地測量系統(tǒng)233
8.4慣性導(dǎo)航系統(tǒng)234
8.4.1基礎(chǔ)知識234
8.4.2導(dǎo)航方程235
8.4.3導(dǎo)航基礎(chǔ)計算236
8.4.4大地坐標(biāo)計算237
8.5卡爾曼濾波237
8.6全球定位系統(tǒng)239
8.6.1基礎(chǔ)知識239
8.6.2地球經(jīng)度和緯度240
8.6.3地速和空速243
8.7定位導(dǎo)航243
8.7.1航圖測讀243
8.7.2天文導(dǎo)航243
8.8低可見度下的導(dǎo)航243
8.9慣性導(dǎo)航傳感器244
8.9.1主要功能244
8.9.2加速度計244
8.9.3陀螺儀246
8.9.4空速傳感器248
8.9.5高度傳感器249
8.9.6壓力傳感器250
8.9.7時鐘/計時器251
8.9.8羅盤251
8.9.9磁強(qiáng)計252
8.9.10微機(jī)電系統(tǒng)慣性模塊252
8.9.11應(yīng)答機(jī)253
8.10導(dǎo)航中的干擾253
8.10.1風(fēng)253
8.10.2陣風(fēng)和擾動255
8.10.3測量噪聲257
8.10.4漂移257
8.10.5科里奧利效應(yīng)259
8.10.6磁偏260
8.11導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計流程261
8.11.1設(shè)計要求261
8.11.2設(shè)計流程圖261
8.11.3設(shè)計指南262
簡答題263
練習(xí)題265第9章微控制器268
9.1引言268
9.2基礎(chǔ)知識270
9.2.1微控制器基礎(chǔ)270
9.2.2微控制器與微處理器272
9.2.3封裝形式273
9.2.4模塊/組件274
9.2.5Atmel ATmega644P276
9.3微控制器電路277
9.3.1微控制器電路板277
9.3.2電動機(jī)277
9.3.3伺服電機(jī)278
9.3.4傳感器278
9.3.5電位器278
9.4嵌入式系統(tǒng)279
9.4.1簡介279
9.4.2嵌入式處理器279
9.4.3信號流279
9.5微控制器編程280
9.5.1軟件開發(fā)280
9.5.2操作系統(tǒng)280
9.5.3管理軟件281
9.5.4微控制器編程281
9.5.5軟件集成282
9.5.6高級編程語言282
9.5.7編譯器283
9.5.8調(diào)試283
9.6C語言編程283
9.6.1簡介283
9.6.2C語言程序的一般結(jié)構(gòu)283
9.6.3示例代碼：檢測失效LED284
9.6.4執(zhí)行C語言程序285
9.7Arduino286
9.7.1Arduino概述286
9.7.2Arduino編程287
9.7.3Arduino Uno板288
9.7.4升降舵的開環(huán)控制289
9.7.5Arduino和MATLAB290
9.8開源商用自動駕駛儀291
9.8.1ArduPilot自動駕駛儀291
9.8.2PX4 Pixhawk自動駕駛儀292
9.8.3MicroPilot自動駕駛儀292
9.8.4DJI WooKong自動駕駛儀293
9.9設(shè)計流程294
9.10項(xiàng)目設(shè)計294
9.10.1問題陳述294
9.10.2設(shè)計與實(shí)現(xiàn)295
9.10.3Arduino代碼296
9.10.4程序296
9.10.5用于實(shí)時繪圖的
MATLAB代碼297
9.10.6系統(tǒng)響應(yīng)和結(jié)果298
簡答題298
練習(xí)題299
設(shè)計題301第10章發(fā)射和回收系統(tǒng)設(shè)計302
10.1引言302
10.2發(fā)射技術(shù)303
10.2.1火箭助推發(fā)射304
10.2.2彈力繩發(fā)射305
10.2.3氣動發(fā)射器發(fā)射307
10.2.4液壓發(fā)射器發(fā)射308
10.2.5空中發(fā)射309
10.2.6手動發(fā)射309
10.3發(fā)射裝置310
10.3.1組成部分310
10.3.2坡道/滑道311
10.3.3推進(jìn)裝置312
10.3.4升降平臺312
10.3.5動力源314
10.4發(fā)射基本原理314
10.4.1基本原理314
10.4.2控制發(fā)射方程315
10.4.3機(jī)翼和水平尾翼的作用317
10.4.4無人飛行器縱向配平318
10.5升降機(jī)構(gòu)設(shè)計320
10.5.1升降機(jī)構(gòu)操作320
10.5.2液壓和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)320
10.6垂直起降321
10.7回收技術(shù)321
10.7.1基本原理321
10.7.2撞網(wǎng)回收322
10.7.3阻攔索回收323
10.7.4天鉤回收324
10.7.5風(fēng)向筒回收324
10.7.6降落傘回收325
10.8回收原理326
10.8.1降落傘回收326
10.8.2撞擊回收326
10.9發(fā)射和回收系統(tǒng)的移動性327
10.9.1移動性要求327
10.9.2傳統(tǒng)輪式車輛327
10.10發(fā)射和回收系統(tǒng)設(shè)計流程328
10.10.1發(fā)射和回收技術(shù)選擇328
10.10.2發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計330
10.10.3回收系統(tǒng)設(shè)計331
簡答題331
練習(xí)題333
設(shè)計題335第11章地面控制站336
11.1引言336
11.2地面控制站子系統(tǒng)338
11.3地面站類型338
11.3.1手持無線電控制器339
11.3.2便攜式地面控制站342
11.3.3移動卡車344
11.3.4中央指揮站346
11.3.5海上控制站347
11.3.6通用地面控制站347
11.4多無人飛行器的
地面控制站348
11.4.1“全球鷹”348
11.4.2“捕食者”349
11.4.3MQ-5A“獵人”349
11.4.4“影子200”350
11.4.5DJI“精靈”350
11.4.6雅馬哈RMAX351
11.5人體工程學(xué)設(shè)計要求351
11.5.1地面站飛行員/操作員
數(shù)量351
11.5.2人體工程學(xué)352
11.5.3人類飛行員/操作員的
特征353
11.5.4控制臺尺寸和限制353
11.6輔助設(shè)備355
11.6.1簡介355
11.6.2運(yùn)輸設(shè)備356
11.6.3發(fā)電機(jī)357
11.6.4暖通空調(diào)系統(tǒng)357
11.6.5其他設(shè)備357
11.7地面控制站設(shè)計流程357
簡答題359
練習(xí)題360
設(shè)計題361
實(shí)驗(yàn)361第12章有效載荷選擇和設(shè)計363
12.1引言363
12.2有效載荷組成364
12.2.1有效載荷定義364
12.2.2有效載荷分類364
12.3典型無人飛行器的
有效載荷365
12.3.1RQ-4“全球鷹”365
12.3.2MQ-9“捕食者”B
“收割者”366
12.3.3RQ-7“影子200”367
12.3.4RQ-5A“獵人”367
12.3.5DJI“精靈”四旋翼飛行器367
12.3.6X-45 無人戰(zhàn)斗飛行器367
12.3.7雅馬哈RMAX367
12.4貨運(yùn)有效載荷368
12.5偵察/監(jiān)視有效載荷369
12.5.1光電相機(jī)369
12.5.2紅外相機(jī)373
12.5.3雷達(dá)374
12.5.4激光雷達(dá)379
12.5.5測距儀380
12.5.6激光指示器381
12.5.7雷達(dá)告警接收機(jī)381
12.6科研有效載荷382
12.6.1分類382
12.6.2溫度傳感器384
12.7軍事有效載荷384
12.8電子對抗有效載荷385
12.9有效載荷安裝387
12.9.1有效載荷連接387
12.9.2有效載荷位置388
12.9.3有效載荷空氣動力學(xué)389
12.9.4有效載荷結(jié)構(gòu)一體化392
12.9.5有效載荷穩(wěn)定393
12.10有效載荷的控制和管理394
12.11有效載荷設(shè)計指南395
簡答題397
練習(xí)題398
設(shè)計題399第13章通信系統(tǒng)設(shè)計402
13.1引言402
13.2數(shù)據(jù)鏈404
13.3發(fā)射機(jī)405
13.4接收機(jī)407
13.5天線408
13.6無線電頻率410
13.7加密412
13.8個別無人飛行器的通信系統(tǒng)413
13.9安裝415
13.10通信系統(tǒng)設(shè)計流程415
13.11基于Arduino開發(fā)板的
雙向通信417
13.11.1通信模塊417
13.11.2NRF24L01模塊417
13.11.3藍(lán)牙模塊419
13.11.4應(yīng)用420
簡答題424
練習(xí)題425
實(shí)驗(yàn)426
設(shè)計題427第14章設(shè)計分析和反饋428
14.1引言428
14.2設(shè)計反饋回路429
14.3重量和平衡430
14.3.1無人飛行器重心430
14.3.2重量分布432
14.4穩(wěn)定性分析433
14.4.1基本原理433
14.4.2縱向靜穩(wěn)定性433
14.4.3縱向動穩(wěn)定性434
14.4.4橫向航向靜穩(wěn)定性434
14.4.5橫向航向動穩(wěn)定性435
14.4.6穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的典型值436
14.5可控性分析437
14.5.1縱向控制437
14.5.2橫向控制439
14.5.3航向控制439
14.5.4控制導(dǎo)數(shù)的典型值439
14.6飛行性能分析440
14.6.1最大速度440
14.6.2最大航程441
14.6.3最大續(xù)航時間442
14.6.4爬升性能442
14.6.5起飛性能443
14.6.6轉(zhuǎn)彎性能444
14.6.7絕對升限446
14.7成本分析447
簡答題448
練習(xí)題450縮略語454
參數(shù)命名458
參考文獻(xiàn)463
索引470
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