多旋翼无人机系统与应用

多旋翼无人机作为一个具有巨大市场潜力的新兴产品，得到了国内外研究者的广泛重视。作者所在研究团队自2007年成立以来，进行了一系列多旋翼无人机相关关键技术突破和整机的研发工作，经过11年的研究积累，研制了具有完全自主知识产权的H6、CQ8、CH12、CQ16、CQH36 系列10余款的工业无人机产品，完成了实验室技术研发及批量试用，目前正在农牧业、公安、电力、应急抢险等领域进行产业化推广。本书是作者在多旋翼无人机研究工作的基础上，结合所在团队的研究成果及国内外研究进展编著而成的，系统地介绍了多旋翼无人机系统基本理论、设计方法与应用示范。

本书在介绍多旋翼无人机基础知识的基础上，对当前多旋翼无人机相关领域的研究前沿、热点问题进行了分析。第1章主要介绍了多旋翼无人机的基本概念、发展历程、研究概况与应用。第2章主要介绍了多旋翼无人机的飞行原理与动力学建模, 给出了多旋翼无人机稳定飞行的基本条件。第3章主要介绍了多旋翼无人机系统构成与实现，针对多旋翼无人机系统中的执行单元、飞行控制系统、地面站系统、导航系统、测控链路及其自主控制体系结构分别加以阐述。第4章主要讨论了多旋翼无人机的空气动力学，分别分析了在低雷诺数条件下的共轴双旋翼单元气动特性与非平面式双旋翼单元气动特性。第5章主要研究了多旋翼无人机导航信息融合，设计了多旋翼无人机的姿态信息融合算法与位置、速度信息融合算法。考虑到多旋翼无人机的低成本化趋势，进一步设计了低成本组合导航系统及具有主动容错能力的数据融合算法。后简要介绍了多旋翼无人机的状态感知理论。第6章主要研究了多旋翼无人机的姿态稳定与航迹跟踪控制，为保证无人机达到姿态稳定，设计了姿态稳定控制器。在执行器饱和情况下，设计了姿态抗饱和控制器。进一步为实现精确航迹跟踪目标，设计了航迹跟踪控制器。第7章主要介绍了多旋翼无人机故障容错控制。针对十二旋翼无人机与六旋翼无人机分别设计了增益型故障的容错控制策略与执行单元失效故障容错控制策略。第8章主要介绍了多旋翼无人机载荷系统。重点介绍了作者团队自主研发的机载光电载荷装置、机载云台及其稳像控制、生物制剂投放载荷装置以及农药喷洒载荷装置。第9章主要介绍了作者团队自主研发的多旋翼无人机相关应用示范，重点介绍了在生物防治与精准农业上的应用。

本书中的研究工作得到了国家自然科学基金、吉林省与中国科学院产业化项目基金、吉林省科技发展计划重点科技攻关项目基金的资助，作者在此表示诚挚的感谢。本书的研究内容总结了作者团队的研究成果，特别感谢与作者共同研究并对这些研究成果做出贡献的研究人员：宫勋、雷瑶、赵常均、张欣、王日俊、徐东甫、裴信彪、王纯阳、裴彦华。

近年来，多旋翼无人机研究发展迅速，不断取得新的进展。作者虽然力图在本书中能够体现多旋翼无人机的主要进展，但由于多旋翼无人机技术不断发展，再加之作者水平有限，难以全面、完整地对当前研究前沿及热点问题一一探讨。书中存在的不妥之处， 敬请读者批评指正， 在此不胜感激。

著　者

本书从技术与应用相结合的角度, 系统地介绍了多旋翼无人机系统的基本理论、设计方法与应用示范。全书内容包括多旋翼无人机的基本概念、飞行原理与动力学建模、系统构成与实现、空气动力学、导航信息融合、姿态稳定与航迹跟踪控制、故障容错控制、载荷系统以及应用示范。

本书适合多旋翼无人机领域的技术人员阅读, 也可以作为高等院校无人机专业高年级本科生和研究生的教学参考。

第1章　绪论　/1

　参考文献　/2

第2章　多旋翼无人机的飞行原理与动力学建模　/4

　2.1　多旋翼无人机的飞行原理　/4

　2.2　多旋翼无人机的动力学建模　/5

　　　2.2.1　坐标及坐标转换关系　/5

　　　2.2.2　多旋翼无人机动力学方程　/7

　　　2.2.3　多旋翼无人机运动学方程　/9

　　　2.2.4　多旋翼无人机控制关系方程　/10

　　　2.2.5　多旋翼无人机运动方程组　/12

　　　2.2.6　多旋翼无人机的机动性能分析　/13

　2.3　多旋翼无人机稳定飞行基本条件　/17

　　　2.3.1　无人机硬件可靠性　/17

　　　2.3.2　无人机软件可靠性　/18

　参考文献　/19

第3章　多旋翼无人机系统构成与实现　/20

　3.1　执行单元　/20

　　　3.1.1　螺旋桨　/20

　　　3.1.2　电机与电调　/20

　3.2　飞行控制系统　/21

　3.3　地面站系统　/23

　3.4　导航系统　/25

　3.5　测控链路　/26

　　　3.5.1　长距离遥控遥测装置　/26

　　　3.5.2　高清无线数字视频发射机　/26

　　　3.5.3　手持高清无线视频接收机　/28

　3.6　多旋翼无人机系统自主控制体系结构　/29

　参考文献　/30

第4章　多旋翼无人机空气动力学　/32

　4.1　概述　/32

　4.2　低雷诺数下的多旋翼系统　/33

　　　4.2.1　考虑空气黏度的旋翼气动理论计算　/33

　　　4.2.2　考虑旋翼间干扰的多旋翼系统　/36

　　　4.2.3　黏性效应和翼间干扰的影响　/40

　4.3　数值模拟方法及验证　/40

　　　4.3.1　旋翼数值模拟方法　/41

　　　4.3.2　单旋翼数值模拟　/46

　　　4.3.3　单旋翼实验验证　/49

　4.4　共轴双旋翼单元气动特性分析　/53

　4.5　非平面式双旋翼单元气动特性分析　/64

　　　4.5.1　非平面双旋翼实验研究　/64

　　　4.5.2　非平面双旋翼气动特性数值模拟　/75

　4.6　非平面式双旋翼单元来流实验研究　/84

　　　4.6.1　实验设计　/84

　　　4.6.2　非平面旋翼实验结果分析　/85

　参考文献　/98

第5章　多旋翼无人机导航信息融合　/100

　5.1　引言　/100

　5.2　传感器特性分析与数据预处理　/101

　　　5.2.1　传感器介绍与特性分析　/101

　　　5.2.2　传感器误差分析与校正　/104

　5.3　多旋翼无人机姿态信息融合　/116

　　　5.3.1　非线性姿态角信息融合系统建模　/117

　　　5.3.2　姿态信息融合算法设计　/118

　　　5.3.3　姿态信息融合实验与分析　/121

　5.4　多旋翼无人机位置、速度信息融合　/124

　　　5.4.1　水平方向速度和位置信息融合　/125

　　　5.4.2　垂直方向速度和位置信息融合　/127

　5.5　低成本组合导航传感器特性分析与预处理　/131

　　　5.5.1　组合导航传感器特性分析　/132

　　　5.5.2　INS误差源分析及预处理　/135

　　　5.5.3　磁力计/气压高度计/GNSS误差建模和预处理　/141

　5.6　低成本组合导航信息融合　/144

　　　5.6.1　组合导航信息算法选定　/145

　　　5.6.2　高维数EKF算法设计　/147

　　　5.6.3　组合导航EKF初始对准及方差自适应整定　/155

　　　5.6.4　EKF-CPF动态容错算法　/159

　　　5.6.5　组合导航EKF-CPF仿真设计与验证　/161

　　　5.6.6　组合导航EKF-CPF算法实测分析　/171

　5.7　多旋翼无人机状态感知　/174

　参考文献　/178

第6章　多旋翼无人机姿态稳定与航迹跟踪控制　/180

　6.1　概述　/180

　6.2　多旋翼无人机姿态稳定控制器设计与实验　/180

　　　6.2.1　多旋翼无人机姿态稳定控制模型　/181

　　　6.2.2　自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制器设计　/182

　　　6.2.3　自适应径向基神经网络的反步滑模姿态稳定控制仿真验证　/187

　6.3　多旋翼无人机航迹跟踪控制器设计与实验　/192

　　　6.3.1　自抗扰航迹跟踪控制器　/192

　　　6.3.2　线性自抗扰航迹跟踪控制器　/197

　　　6.3.3　倾斜转弯模式自主轨迹跟踪控制器　/204

　6.4　多旋翼无人机姿态抗饱和控制器设计与实验　/210

　　　6.4.1　无人机偏航静态抗饱和控制　/211

　　　6.4.2　无人机偏航抗积分饱和控制　/216

　参考文献　/229

第7章　多旋翼无人机的故障容错控制　/232

　7.1　概述　/232

　7.2　多旋翼无人机执行单元的故障模型　/233

　　　7.2.1　直流电动机的数学模型　/233

　　　7.2.2　驱动电路板故障　/237

　　　7.2.3　旋翼的升力模型　/241

　　　7.2.4　执行单元升力故障模型　/248

　7.3　十二旋翼无人机增益型故障容错控制　/249

　　　7.3.1　增益型故障情况下十二旋翼无人机的数学模型　/249

　　　7.3.2　十二旋翼无人机增益型故障检测算法设计　/250

　　　7.3.3　多旋翼无人机增益型故障重构容错控制器设计　/252

　　　7.3.4　十二旋翼无人机增益型故障容错控制仿真实验　/255

　　　7.3.5　对比四旋翼无人机增益型故障容错控制　/259

　7.4　十二旋翼无人机执行单元失效型故障容错控制　/262

　　　7.4.1　四旋翼无人机故障下的动力学特性　/263

　　　7.4.2　十二旋翼无人机的失效型故障下的动力学分析　/264

　　　7.4.3　十二旋翼无人机失效型故障的故障检测算法　/266

　　　7.4.4　十二旋翼无人机失效型故障容错控制仿真实验　/267

　7.5　六旋翼无人机容错控制　/268

　　　7.5.1　执行单元故障检测与诊断系统　/268

　　　7.5.2　基于分类面的故障诊断算法　/270

　　　7.5.3　基于扩展卡尔曼滤波算法的故障观测器　/273

　　　7.5.4　自重构控制算法　/281

　参考文献　/287

第8章　多旋翼无人机载荷系统　/289

　8.1　光电载荷云台设计　/289

　　　8.1.1　光电载荷云台　/289

　　　8.1.2　光电载荷云台静力学分析　/289

　　　8.1.3　光电载荷云台振动分析　/291

　　　8.1.4　光电载荷云台结构优化　/294

　　　8.1.5　光电载荷云台控制系统设计　/297

　　　8.1.6　光电载荷云台复合补偿控制方法　/302

　　　8.1.7　系统设计与实验分析　/326

　8.2　生物制剂投放装置设计　/340

　8.3　农药喷洒装置设计　/341

　参考文献　/343

第9章　多旋翼无人机应用示范　/345

　9.1　生物防治应用　/345

　　　9.1.1　基于多旋翼无人机的智能投放系统应用示范　/345

　　　9.1.2　基于多旋翼无人机的智能投放系统标准化操作流程　/348

　9.2　精准农业应用　/349

　　　9.2.1　多旋翼无人机光谱遥感系统　/350

　　　9.2.2　水稻氮元素光谱实验分析　/351

　　　9.2.3　水稻叶片信息获取与分析　/355

　　　9.2.4　基于多旋翼无人机的遥感数据采集系统标准化操作流程　/358

　参考文献　/359

索引　/360

本书从技术与应用相结合的角度, 系统地介绍了多旋翼无人机系统的基本理论、设计方法与应用示范。全书内容包括多旋翼无人机的基本概念、飞行原理与动力学建模、系统构成与实现、空气动力学、导航信息融合、姿态稳定与航迹跟踪控制、故障容错控制、载荷系统以及应用示范。

本书适合多旋翼无人机领域的技术人员阅读, 也可以作为高等院校无人机专业高年级本科生和研究生的教学参考。

作者所在团队自近十年来，以多旋翼无人机为研究对象，比较全面系统地研究了多旋翼无人机系统基本理论、设计方法与应用。自主开发了高效率电机与驱动系统、高升/阻比碳纤维旋翼、飞行控制系统硬件、地面站系统软件和硬件、长距离测控链路及双载荷链路，研制了近10款类型的多旋翼无人机。本书是针对自主开发的一整套多旋翼无人机系统与应用的成果总结，主要内容包括多旋翼无人机发展现状；多旋翼无人机飞行原理与模型构建；多旋翼无人机系统实现；多旋翼无人机相关控制策略设计；载荷装置设计以及多旋翼无人机的应用示范。