無人飛行系統設計 Design of Unmanned Aerial Systems

無人機系統設計包括三個部分的無人機設計（車輛設計、自動駕駛儀設計和地面系統設計），
該書使讀者能夠充分理解這一主題背後的科學，從而能夠展示自己在應用這些概念方面的創造性。
它教授學生和工程師所有的知識：
無人機分類、設計組、設計要求、任務規劃、概念設計、詳細設計和設計程序。
它使他們深入了解地面站、動力系統、推進系統、自動飛行控制系統、制導系統、導航系統以及發射和回收系統。
學生還將學習有效載荷、製造注意事項、設計挑戰、飛行軟件、微控制器和設計示例。
此外，該書主要強調自動飛行控制系統和自動駕駛儀。該書是本科高年級和研究生相關課程教材。

目錄
譯者序
前言第1章設計基礎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無人戰鬥飛行器10
1.3.9愛普生微型飛行機器人10
1.4設計項目規劃11
1.5決策12
1.6設計標準、目標和優先級12
1.7可行性分析14
1.8設計小組14
1.9設計流程15
1.10系統工程方法15
1.11無人飛行器概念設計17
1.12無人飛行器初步設計21
1.13無人飛行器詳細設計22
1.14設計審查、評估和反饋23
1.15無人飛行器設計步驟24
簡答題26第2章初步設計28
2.1引言28
2.2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機翼和發動機尺寸38
2.10四旋翼飛行器構型41
簡答題47
練習題48第3章設計規程50
3.1引言50
3.2氣動特性設計51
3.3結構設計52
3.4推進系統設計55
3.4.1通用設計指南55
3.4.2電動機56
3.5起落架設計58
3.6機械和動力傳動系統設計60
3.7電氣系統61
3.7.1基礎知識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發電機66
3.8操縱面設計66
3.9安全分析70
3.9.1設計方面的經驗教訓71
3.9.2子系統和組件可能的
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75
簡答題75
設計題76
練習題77第4章空氣動力學設計79
4.1引言79
4.2空氣動力學基礎80
4.3機翼設計81
4.3.1機翼設計流程81
4.3.2翼型選擇和設計81
4.3.3機翼設計方法84
4.3.4機翼設計步驟87
4.4尾翼設計88
4.4.1設計流程88
4.4.2尾翼構型89
4.4.3水平尾翼設計方法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93
4.5垂直尾翼設計93
4.5.1參數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94
4.5.7垂直尾翼設計方法95
4.6機身設計95
4.6.1機身設計基礎95
4.6.2機身內部佈局96
4.6.3自動駕駛儀艙98
4.6.4優長徑比98
4.6.5機身空氣動力學99
4.6.6放樣100
4.6.7機身設計步驟101
4.7天線102
4.7.1固定天線102
4.7.2雷達拋物面天線102
4.7.3衛星通信天線103
4.7.4天線設計/安裝103
4.8四旋翼飛行器空氣
動力學設計103
4.9空氣動力學設計指南104
簡答題105
練習題106第5章自動駕駛儀設計基礎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111
5.1.3自動駕駛儀設計或選擇111
5.2動力學建模112
5.2.1建模方法112
5.2.2基本模型114
5.2.3傳遞函數115
5.2.4狀態空間表示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穩定性和控制導數118
5.3.3無量綱穩定性和控制導數118
5.3.4有量綱穩定性和控制導數119
5.3.5耦合穩定性導數120
5.4動力學模型的簡化120
5.4.1線性化121
5.4.2解耦122
5.5固定翼無人飛行器
動力學模型124
5.5.1非線性全耦合運動方程124
5.5.2非線性半耦合運動方程125
5.5.3非線性解耦運動方程125
5.5.4線性耦合運動方程125
5.5.5線性解耦運動方程127
5.5.6重新表述的（非線性半耦合）
運動方程129
5.5.7無動力滑翔運動方程130
5.6動力學模型近似130
5.6.1純俯仰運動的近似130
5.6.2純滾轉運動的近似130
5.6.3純偏航運動的近似130
5.6.4縱向振盪模態的近似131
5.7四旋翼（旋翼）飛行器
動力學模型131
5.7.1四個電動機的總推力131
5.7.2動力學模型134
5.7.3簡化動力學模型135
5.8自動駕駛儀分類135
5.8.1增穩系統137
5.8.2保持功能137
5.8.3導航功能138
5.8.4指令增強系統139
5.9飛行仿真：數值方法139
5.9.1數值積分140
5.9.2MATLAB和Simulink140
5.9.3硬件在環仿真142
5.10無人飛行器飛行品質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強度限制144
5.11自動駕駛儀設計流程144
簡答題145
練習題146第6章控制系統設計149
6.1引言149
6.2控制系統基礎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控制器結構和控制結構154
6.3伺服器和執行機構155
6.3.1專有名詞155
6.3.2電動機156
6.3.3液壓執行機構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俯仰姿態保持163
6.5.4機翼水平調整器163
6.5.5偏航阻尼器165
6.5.6自動著陸166
6.5.7轉彎協調儀167
6.6控制器設計170
6.6.1PID控制器170
6.6.2優控制：LQR171
6.6.3增益調度175
6.6.4魯棒控制177
6.6.5數字控制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故障監測180
6.7.5智能飛行規劃180
6.8有人無人飛行器協同181
6.8.1協同的需求181
6.8.2協同問題表述181
6.8.3決策過程183
6.8.4協同通信流程184
6.8.5協同規則185
6.9控制系統設計流程186
簡答題188
練習題189第7章制導系統設計193
7.1引言193
7.2基礎知識194
7.2.1制導過程194
7.2.2制導系統組成部分195
7.2.3制導組件195
7.2.4目標探測196
7.2.5移動目標跟踪198
7.3制導律199
7.4指令制導律200
7.5PN制導律203
7.6追踪制導律206
7.7路徑點制導律207
7.7.1路徑點207
7.7.2路徑點制導的類型208
7.7.3水平軌跡分段209
7.7.4路徑點制導算法210
7.7.5無人飛行器機動性評估213
7.8感知和避障214
7.8.1基礎知識214
7.8.2感知技術215
7.8.3避免碰撞217
7.9編隊飛行220
7.10運動規劃和軌跡設計222
7.11制導傳感器：導引頭223
7.12制導系統設計流程224
簡答題225
練習題227第8章導航系統設計230
8.1引言230
8.2導航系統分類231
8.3坐標系232
8.3.1固定和移動參考系232
8.3.2世界大地測量系統233
8.4慣性導航系統234
8.4.1基礎知識234
8.4.2導航方程235
8.4.3導航基礎計算236
8.4.4大地坐標計算237
8.5卡爾曼濾波237
8.6全球定位系統239
8.6.1基礎知識239
8.6.2地球經度和緯度240
8.6.3地速和空速243
8.7定位導航243
8.7.1航圖測讀243
8.7.2天文導航243
8.8低可見度下的導航243
8.9慣性導航傳感器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磁強計252
8.9.10微機電系統慣性模塊252
8.9.11應答機253
8.10導航中的干擾253
8.10.1風253
8.10.2陣風和擾動255
8.10.3測量噪聲257
8.10.4漂移257
8.10.5科里奧利效應259
8.10.6磁偏260
8.11導航系統設計流程261
8.11.1設計要求261
8.11.2設計流程圖261
8.11.3設計指南262
簡答題263
練習題265第9章微控制器268
9.1引言268
9.2基礎知識270
9.2.1微控制器基礎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277
9.3.3伺服電機278
9.3.4傳感器278
9.3.5電位器278
9.4嵌入式系統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280
9.5.2操作系統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語言程序的一般結構283
9.6.3示例代碼：檢測失效LED284
9.6.4執行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設計流程294
9.10項目設計294
9.10.1問題陳述294
9.10.2設計與實現295
9.10.3Arduino代碼296
9.10.4程序296
9.10.5用於實時繪圖的MATLAB代碼297
9.10.6系統響應和結果298
簡答題298
練習題299
設計題301
第10章發射和回收系統設計302
10.1引言302
10.2發射技術303
10.2.1火箭助推發射304
10.2.2彈力繩發射305
10.2.3氣動發射器發射307
10.2.4液壓發射器發射308
10.2.5空中發射309
10.2.6手動發射309
10.3發射裝置310
10.3.1組成部分310
10.3.2坡道/滑道311
10.3.3推進裝置312
10.3.4升降平台312
10.3.5動力源314
10.4發射基本原理314
10.4.1基本原理314
10.4.2控制發射方程315
10.4.3機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升降機構設計320
10.5.1升降機構操作320
10.5.2液壓和氣動執行機構320
10.6垂直起降321
10.7回收技術321
10.7.1基本原理321
10.7.2撞網回收322
10.7.3阻攔索回收323
10.7.4天鉤回收324
10.7.5風向筒回收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發射和回收系統的移動性327
10.9.1移動性要求327
10.9.2傳統輪式車輛327
10.10發射和回收系統設計流程328
10.10.1發射和回收技術選擇328
10.10.2發射系統設計330
10.10.3回收系統設計331
簡答題331
練習題333
設計題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人體工程學設計要求351
11.5.1地面站飛行員/操作員數量351
11.5.2人體工程學352
11.5.3人類飛行員/操作員的特徵353
11.5.4控制台尺寸和限制353
11.6輔助設備355
11.6.1簡介355
11.6.2運輸設備356
11.6.3發電機357
11.6.4暖通空調系統357
11.6.5其他設備357
11.7地面控制站設計流程357
簡答題359
練習題360
設計題361
實驗361
第12章有效載荷選擇和設計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 無人戰鬥飛行器367
12.3.7雅馬哈RMAX367
12.4貨運有效載荷368
12.5偵察/監視有效載荷369
12.5.1光電相機369
12.5.2紅外相機373
12.5.3雷達374
12.5.4激光雷達379
12.5.5測距儀380
12.5.6激光指示器381
12.5.7雷達告警接收機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389
12.9.4有效載荷結構一體化392
12.9.5有效載荷穩定393
12.10有效載荷的控制和管理394
12.11有效載荷設計指南395
簡答題397
練習題398
設計題399第13章通信系統設計402
13.1引言402
13.2數據鏈404
13.3發射機405
13.4接收機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413
13.9安裝415
13.10通信系統設計流程415
13.11基於Arduino開發板的雙向通信417
13.11.1通信模塊417
13.11.2NRF24L01模塊417
13.11.3藍牙模塊419
13.11.4應用420
簡答題424
練習題425
實驗426
設計題427第14章設計分析和反饋428
14.1引言428
14.2設計反饋迴路429
14.3重量和平衡430
14.3.1無人飛行器重心430
14.3.2重量分佈432
14.4穩定性分析433
14.4.1基本原理433
14.4.2縱向靜穩定性433
14.4.3縱向動穩定性434
14.4.4橫向航向靜穩定性434
14.4.5橫向航向動穩定性435
14.4.6穩定性導數的典型值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控制導數的典型值439
14.6飛行性能分析440
14.6.1大速度440
14.6.2大航程441
14.6.3大續航時間442
14.6.4爬升性能442
14.6.5起飛性能443
14.6.6轉彎性能444
14.6.7絕對升限446
14.7成本分析447
簡答題448
練習題450縮略語454
參數命名458
參考文獻463
索引470