正版 无人飞行系统设计 [美]穆罕默德·萨德拉伊 机械工业出版社 9

目录 译者序 前言第1章设计基础1 1.1引言1 1.2无人飞行器的分类4 1.3典型无人飞行器回顾6 1.3.1“全球鹰”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“猎人”9 1.3.5RQ-7“影子200”9 1.3.6RQ-2A“先锋”9 1.3.7RQ-170“哨兵”10 1.3.8X-45A无人战斗飞行器10 1.3.9爱普生微型飞行机器人10 1.4设计项目规划11 1.5决策12 1.6设计标准、目标和优先级12 1.7可行性分析14 1.8设计小组14 1.9设计流程15 1.10系统工程方法15 1.11无人飞行器概念设计17 1.12无人飞行器初步设计21 1.13无人飞行器详细设计22 1.14设计审查、评估和反馈23 1.15无人飞行器设计步骤24 简答题26第2章初步设计28 2.1引言28 2.2优选起飞重量估算28 2.3重量组成28 2.4有效载荷重量29 2.5自动驾驶仪重量30 2.6燃油重量31 2.7电池重量33 2.8空载重量36 2.9机翼和发动机尺寸38 2.10四旋翼飞行器构型41 简答题47 练习题48第3章设计规程50 3.1引言50 3.2气动特性设计51 3.3结构设计52 3.4推进系统设计55 3.4.1通用设计指南55 3.4.2电动机56 3.5起落架设计58 3.6机械和动力传动系统设计60 3.7电气系统61 3.7.1基础知识61 3.7.2安全建议63 3.7.3接线图63 3.7.4电线的绝缘和屏蔽64 3.7.5电池64 3.7.6发电机66 3.8操纵面设计66 3.9安全分析70 3.9.1设计方面的经验教训71 3.9.2子系统和组件可能的 故障模式73 3.10安装指南75 3.10.1GPS和罗盘75 3.10.2惯性测量单元75 3.10.3电动机75 简答题75 设计题76 练习题77第4章空气动力学设计79 4.1引言79 4.2空气动力学基础80 4.3机翼设计81 4.3.1机翼设计流程81 4.3.2翼型选择和设计81 4.3.3机翼设计方法84 4.3.4机翼设计步骤87 4.4尾翼设计88 4.4.1设计流程88 4.4.2尾翼构型89 4.4.3水平尾翼设计方法90 4.4.4水平尾翼投影面积和 尾翼力臂91 4.4.5水平尾翼翼型91 4.4.6水平尾翼安装角92 4.4.7其他水平尾翼参数93 4.5垂直尾翼设计93 4.5.1参数93 4.5.2垂直尾翼位置93 4.5.3垂直尾翼力臂93 4.5.4投影面积94 4.5.5安装角94 4.5.6其他垂直尾翼参数94 4.5.7垂直尾翼设计方法95 4.6机身设计95 4.6.1机身设计基础95 4.6.2机身内部布局96 4.6.3自动驾驶仪舱98 4.6.4很优长径比98 4.6.5机身空气动力学99 4.6.6放样100 4.6.7机身设计步骤101 4.7天线102 4.7.1固定天线102 4.7.2雷达抛物面天线102 4.7.3卫星通信天线103 4.7.4天线设计/安装103 4.8四旋翼飞行器空气 动力学设计103 4.9空气动力学设计指南104 简答题105 练习题106第5章自动驾驶仪设计基础109 5.1引言109 5.1.1自动驾驶仪和操作人员110 5.1.2自动驾驶仪的主要子系统111 5.1.3自动驾驶仪设计或选择111 5.2动力学建模112 5.2.1建模方法112 5.2.2基本模型114 5.2.3传递函数115 5.2.4状态空间表示117 5.3气动力和气动力矩117 5.3.1力和力矩方程117 5.3.2稳定性和控制导数118 5.3.3无量纲稳定性和控制导数118 5.3.4有量纲稳定性和控制导数119 5.3.5耦合稳定性导数120 5.4动力学模型的简化120 5.4.1线性化121 5.4.2解耦122 5.5固定翼无人飞行器 动力学模型124 5.5.1非线性全耦合运动方程124 5.5.2非线性半耦合运动方程125 5.5.3非线性解耦运动方程125 5.5.4线性耦合运动方程125 5.5.5线性解耦运动方程127 5.5.6重新表述的（非线性半耦合） 运动方程129 5.5.7无动力滑翔运动方程130 5.6动力学模型近似130 5.6.1纯俯仰运动的近似130 5.6.2纯滚转运动的近似130 5.6.3纯偏航运动的近似130 5.6.4纵向振荡模态的近似131 5.7四旋翼（旋翼）飞行器 动力学模型131 5.7.1四个电动机的总推力131 5.7.2动力学模型134 5.7.3简化动力学模型135 5.8自动驾驶仪分类135 5.8.1增稳系统137 5.8.2保持功能137 5.8.3导航功能138 5.8.4指令增强系统139 5.9飞行仿真：数值方法139 5.9.1数值积分140 5.9.2MATLAB和Simulink140 5.9.3硬件在环仿真142 5.10无人飞行器飞行品质142 5.10.1基本原理142 5.10.2分级、分类和可接受等级143 5.10.3强度144 5.11自动驾驶仪设计流程144 简答题145 练习题146第6章控制系统设计149 6.1引言149 6.2控制系统基础150 6.2.1组成部分、概念和定义150 6.2.2根轨迹法152 6.2.3频域法152 6.2.4控制器结构和控制结构154 6.3伺服器和执行机构155 6.3.1专有名词155 6.3.2电动机156 6.3.3液压执行机构156 6.3.4延迟157 6.3.5饱和158 6.4飞行控制要求158 6.4.1纵向控制要求158 6.4.2横向控制要求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俯仰姿态保持163 6.5.4机翼水平调整器163 6.5.5偏航阻尼器165 6.5.6自动着陆166 6.5.7转弯协调仪167 6.6控制器设计170 6.6.1PID控制器170 6.6.2很优控制：LQR171 6.6.3增益调度175 6.6.4鲁棒控制177 6.6.5数字控制177 6.7自主178 6.7.1分类178 6.7.2感知和避障179 6.7.3自动回收180 6.7.4故障监测180 6.7.5智能飞行规划180 6.8有人无人飞行器协同181 6.8.1协同的需求181 6.8.2协同问题表述181 6.8.3决策过程183 6.8.4协同通信流程184 6.8.5协同规则185 6.9控制系统设计流程186 简答题188 练习题189第7章制导系统设计193 7.1引言193 7.2基础知识194 7.2.1制导过程194 7.2.2制导系统组成部分195 7.2.3制导组件195 7.2.4目标探测196 7.2.5移动目标跟踪198 7.3制导律199 7.4指令制导律200 7.5PN制导律203 7.6追踪制导律206 7.7路径点制导律207 7.7.1路径点207 7.7.2路径点制导的类型208 7.7.3水平轨迹分段209 7.7.4路径点制导算法210 7.7.5无人飞行器机动性评估213 7.8感知和避障214 7.8.1基础知识214 7.8.2感知技术215 7.8.3避免碰撞217 7.9编队飞行220 7.10运动规划和轨迹设计222 7.11制导传感器：导引头223 7.12制导系统设计流程224 简答题225 练习题227第8章导航系统设计230 8.1引言230 8.2导航系统分类231 8.3坐标系232 8.3.1固定和移动参考系232 8.3.2世界大地测量系统233 8.4惯性导航系统234 8.4.1基础知识234 8.4.2导航方程235 8.4.3导航基础计算236 8.4.4大地坐标计算237 8.5卡尔曼滤波237 8.6全球定位系统239 8.6.1基础知识239 8.6.2地球经度和纬度240 8.6.3地速和空速243 8.7定位导航243 8.7.1航图测读243 8.7.2天文导航243 8.8低可见度下的导航243 8.9惯性导航传感器244 8.9.1主要功能244 8.9.2加速度计244 8.9.3陀螺仪246 8.9.4空速传感器248 8.9.5高度传感器249 8.9.6压力传感器250 8.9.7时钟/计时器251 8.9.8罗盘251 8.9.9磁强计252 8.9.10微机电系统惯性模块252 8.9.11应答机253 8.10导航中的干扰253 8.10.1风253 8.10.2阵风和扰动255 8.10.3测量噪声257 8.10.4漂移257 8.10.5科里奥利效应259 8.10.6磁偏260 8.11导航系统设计流程261 8.11.1设计要求261 8.11.2设计流程图261 8.11.3设计指南262 简答题263 练习题265第9章微控制器268 9.1引言268 9.2基础知识270 9.2.1微控制器基础270 9.2.2微控制器与微处理器272 9.2.3封装形式273 9.2.4模块/组件274 9.2.5Atmel ATmega644P276 9.3微控制器电路277 9.3.1微控制器电路板277 9.3.2电动机277 9.3.3伺服电机278 9.3.4传感器278 9.3.5电位器278 9.4嵌入式系统279 9.4.1简介279 9.4.2嵌入式处理器279 9.4.3信号流279 9.5微控制器编程280 9.5.1软件开发280 9.5.2操作系统280 9.5.3管理软件281 9.5.4微控制器编程281 9.5.5软件集成282 9.5.6高级编程语言282 9.5.7编译器283 9.5.8调试283 9.6C语言编程283 9.6.1简介283 9.6.2C语言程序的一般结构283 9.6.3示例代码：检测失效LED284 9.6.4执行C语言程序285 9.7Arduino286 9.7.1Arduino概述286 9.7.2Arduino编程287 9.7.3Arduino Uno板288 9.7.4升降舵的开环控制289 9.7.5Arduino和MATLAB290 9.8开源商用自动驾驶仪291 9.8.1ArduPilot自动驾驶仪291 9.8.2PX4 Pixhawk自动驾驶仪292 9.8.3MicroPilot自动驾驶仪292 9.8.4DJI WooKong自动驾驶仪293 9.9设计流程294 9.10项目设计294 9.10.1问题陈述294 9.10.2设计与实现295 9.10.3Arduino代码296 9.10.4程序296 9.10.5用于实时绘图的 MATLAB代码297 9.10.6系统响应和结果298 简答题298 练习题299 设计题301第10章发射和回收系统设计302 10.1引言302 10.2发射技术303 10.2.1火箭助推发射304 10.2.2弹力绳发射305 10.2.3气动发射器发射307 10.2.4液压发射器发射308 10.2.5空中发射309 10.2.6手动发射309 10.3发射装置310 10.3.1组成部分310 10.3.2坡道/滑道311 10.3.3推进装置312 10.3.4升降平台312 10.3.5动力源314 10.4发射基本原理314 10.4.1基本原理314 10.4.2控制发射方程315 10.4.3机翼和水平尾翼的作用317 10.4.4无人飞行器纵向配平318 10.5升降机构设计320 10.5.1升降机构操作320 10.5.2液压和气动执行机构320 10.6垂直起降321 10.7回收技术321 10.7.1基本原理321 10.7.2撞网回收322 10.7.3阻拦索回收323 10.7.4天钩回收324 10.7.5风向筒回收324 10.7.6降落伞回收325 10.8回收原理326 10.8.1降落伞回收326 10.8.2撞击回收326 10.9发射和回收系统的移动性327 10.9.1移动性要求327 10.9.2传统轮式车辆327 10.10发射和回收系统设计流程328 10.10.1发射和回收技术选择328 10.10.2发射系统设计330 10.10.3回收系统设计331 简答题331 练习题333 设计题335第11章地面控制站336 11.1引言336 11.2地面控制站子系统338 11.3地面站类型338 11.3.1手持无线电控制器339 11.3.2便携式地面控制站342 11.3.3移动卡车344 11.3.4中央指挥站346 11.3.5海上控制站347 11.3.6通用地面控制站347 11.4多无人飞行器的 地面控制站348 11.4.1“全球鹰”348 11.4.2“捕食者”349 11.4.3MQ-5A“猎人”349 11.4.4“影子200”350 11.4.5DJI“精灵”350 11.4.6雅马哈RMAX351 11.5人体工程学设计要求351 11.5.1地面站飞行员/操作员 数量351 11.5.2人体工程学352 11.5.3人类飞行员/操作员的 特征353 11.5.4控制台尺寸和353 11.6辅助设备355 11.6.1简介355 11.6.2运输设备356 11.6.3发电机357 11.6.4暖通空调系统357 11.6.5其他设备357 11.7地面控制站设计流程357 简答题359 练习题360 设计题361 实验361第12章有效载荷选择和设计363 12.1引言363 12.2有效载荷组成364 12.2.1有效载荷定义364 12.2.2有效载荷分类364 12.3典型无人飞行器的 有效载荷365 12.3.1RQ-4“全球鹰”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“猎人”367 12.3.5DJI“精灵”四旋翼飞行器367 12.3.6X-45 无人战斗飞行器367 12.3.7雅马哈RMAX367 12.4货运有效载荷368 12.5侦察/监视有效载荷369 12.5.1光电相机369 12.5.2红外相机373 12.5.3雷达374 12.5.4激光雷达379 12.5.5测距仪380 12.5.6激光指示器381 12.5.7雷达告警接收机381 12.6科研有效载荷382 12.6.1分类382 12.6.2温度传感器384 12.7军事有效载荷384 12.8电子对抗有效载荷385 12.9有效载荷安装387 12.9.1有效载荷连接387 12.9.2有效载荷位置388 12.9.3有效载荷空气动力学389 12.9.4有效载荷结构一体化392 12.9.5有效载荷稳定393 12.10有效载荷的控制和管理394 12.11有效载荷设计指南395 简答题397 练习题398 设计题399第13章通信系统设计402 13.1引言402 13.2数据链404 13.3发射机405 13.4接收机407 13.5天线408 13.6无线电频率410 13.7加密412 13.8个别无人飞行器的通信系统413 13.9安装415 13.10通信系统设计流程415 13.11基于Arduino开发板的 双向通信417 13.11.1通信模块417 13.11.2NRF24L01模块417 13.11.3蓝牙模块419 13.11.4应用420 简答题424 练习题425 实验426 设计题427第14章设计分析和反馈428 14.1引言428 14.2设计反馈回路429 14.3重量和平衡430 14.3.1无人飞行器重心430 14.3.2重量分布432 14.4稳定性分析433 14.4.1基本原理433 14.4.2纵向静稳定性433 14.4.3纵向动稳定性434 14.4.4横向航向静稳定性434 14.4.5横向航向动稳定性435 14.4.6稳定性导数的典型值436 14.5可控性分析437 14.5.1纵向控制437 14.5.2横向控制439 14.5.3航向控制439 14.5.4控制导数的典型值439 14.6飞行性能分析440 14.6.1优选速度440 14.6.2优选航程441 14.6.3优选续航时间442 14.6.4爬升性能442 14.6.5起飞性能443 14.6.6转弯性能444 14.6.7绝对升限446 14.7成本分析447 简答题448 练习题450缩略语454 参数命名458 参考文献463 索引470

无人机系统设计包括三个部分的无人机设计（车辆设计、自动驾驶仪设计和地面系统设计），该书使读者能够充分理解这一主题背后的科学，从而能够展示自己在应用这些概念方面的创造性。它教授学生和工程师所有的知识：无人机分类、设计组、设计要求、任务规划、概念设计、详细设计和设计程序。它使他们深入了解地面站、动力系统、推进系统、自动飞行控制系统、制导系统、导航系统以及发射和回收系统。学生还将学习有效载荷、制造注意事项、设计挑战、飞行软件、微控制器和设计示例。此外，该书主要强调自动飞行控制系统和自动驾驶仪。该书是本科高年级和研究生相关课程教材。

1.本书通过几个重量专业无人飞行系统设计实例，系统性阐述了当今主流的无人飞行系统设计技术，展示了如何将航空科学应用到无人飞行系统的设计中。利用真实的案例、生动的图片以及丰富的数据详细地展示了飞行器、自动驾驶仪和地面系统的设计步骤与设计过程。读者可以通过学习本书充分了解和学习无人飞行系统设计背后的科学知识，并将其应用在实际工程中。 2.本书适合作为高年级本科生和低年级研究生的无人飞行系统、无人飞行器设计课程的大学教材或相关专业工程师的入门参考书。 3.本书在各章结尾大都提供了诸多思考题和练习题，帮助读者巩固概念并练习无人飞行系统的设计。采用该书作为教材和教辅的老师，可以通过作者邮箱：m.sadraey@snhu.edu，申请该书作者提供的习题解答。