无人机飞行与控制

无人机作为新兴领域，近几年来的发展方兴未艾。无人机从初的航拍、娱乐用途，逐步向着农业、安保、电力、数字城市、大气监测等方面扩展。可以预见的是，无人机在未来5~10年内会依然是高科技产业发展的热点，其产业规模和标准也将一直处于不断扩展和完善当中。鉴于此，作为一名北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，以及在无人机和飞控领域耕耘多年的学者，我深感有责任编写一本教材，让广大无人机爱好者和从业者能够有的放矢，从中获益。

这本教材从无人机的控制角度入手，侧重不同构型无人机的飞行力学及控制方法介绍，让读者从无人机核心的飞行及控制层面去了解无人机。同时，本书还有实践部分的内容，以朴实的语言向读者简单介绍了一架四旋翼无人机从拼装制作到调试飞行的全过程。相信初学者通过阅读本书，能够快速对无人机有一个宏观的认知和了解。

全书按照无人机的构型分为三个部分，共12章内容。全书的编写过程有我的朋友及学生参与其中，他们是：张文强、任超、李鹤宇、冯煜捷、隋晗、夏川，在此感谢他们的帮助和付出。同时，还要感谢北京航空航天大学航空科学与工程学院相关同事和领导以及北京商鲲教育控股集团相关人士的大力支持。

董朝阳

2020年3月

本书从无人机的控制角度入手，侧重不同构型无人机的飞行力学及控制方法介绍，让读者从无人机*核心的飞行原理及控制层面去了解无人机。此外，本书在介绍理论知识的同时，还兼顾无人机的操作实践，以*朴实的语言向读者简单介绍了一架小型四旋翼无人机从拼装制作到控制调试飞行的全过程，力争让读者更直观地了解无人机。全书按照无人机的构型分为三个部分，共12章。

本书适合航空相关专业的本科生学习或具有一定基础的无人机相关行业读者参考。

本书从无人机的控制角度入手，侧重不同构型无人机的飞行力学及控制方法介绍，让读者从无人机*核心的飞行原理及控制层面去了解无人机。此外，本书在介绍理论知识的同时，还兼顾无人机的操作实践，以*朴实的语言向读者简单介绍了一架小型四旋翼无人机从拼装制作到控制调试飞行的全过程，力争让读者更直观地了解无人机。全书按照无人机的构型分为三个部分，共12章。

本书适合航空相关专业的本科生学习或具有一定基础的无人机相关行业读者参考。

第1章 绪 论

1.1 无人机的定义、分类、特点及应用

1.1.1 无人机的定义

1.1.2 无人机的分类、特点

1.1.3 无人机的应用

1.2 无人机系统的基本构成及相应作用

1.2.1 无人机

1.2.2 控制站

1.2.3 通信链路

1.2.4 任务载荷

1.2.5 导航系统

1.2.6 发射与回收单元

1.3 无人机发展史简述

1.4 无人机的发展现状及发展趋势

部分 固定翼无人机系统

第2章 固定翼无人机飞行原理

2.1 固定翼无人机基本结构组成及其作用

2.1.1 机翼、机身、气动舵面、尾翼

2.1.2 自动驾驶仪

2.1.3 传感器

2.1.4 执行机构

2.1.5 通信系统

2.1.6 动力系统

2.1.7 实用载荷

2.1.8 地面设施

2.2 常规布局固定翼无人机的基本飞行和操纵原理

2.2.1 常规布局固定翼无人机的基本飞行原理

2.2.2 常规布局固定翼无人机的操纵原理

2.3 非常规布局固定翼无人机简介

小 结

思考题

第3章 固定翼无人机的基本空气动力学

3.1 升力和阻力

3.1.1 机翼的几何形状和几何参数

3.1.2 机翼的升力

3.1.3 阻 力

3.2 升阻特性

3.3 气动布局的形式及气动特性

3.3.1 正常式布局

3.3.2 鸭式布局

3.3.3 无尾布局

3.3.4 三翼面布局

小 结

思考题

第4章 固定翼无人机飞行性能

4.1 平飞、上升、下滑性能

4.1.1 定常平飞时的运动方程

4.1.2 平飞速度Vmax

4.1.3 小平飞速度Vmin

4.1.4 平飞速度范围

4.1.5 定常直线上升运动方程

4.1.6 定常直线上升运动性能

4.1.7 定常下滑运动性能

4.2 续航性能

4.2.1 航程和续航时间的基本关系式

4.2.2 等高等速巡航时的航程和续航时间

4.2.3 飞机的续航性能

4.2.4 活动半径

4.2.5 风对续航性能的影响

4.3 起降性能

4.3.1 起飞性能

4.3.2 着陆性能

4.3.3 单发停车故障的对策

4.3.4 改善起落性能的措施

4.3.5 风切变下的起落过程

4.4 机动性能

4.4.1 铅垂平面内的机动性能

4.4.2 水平平面内的机动性能

小 结

思考题

第5章 固定翼无人机的基础建模和控制

5.1 常用的坐标轴系及其转换

5.1.1 常用的坐标轴系

5.1.2 坐标系转换矩阵

5.1.3 常用坐标系之间的关系

5.2 飞行器质心动力学及运动学方程

5.3 飞行控制基本原理

5.3.1 飞行指令获取

5.3.2 飞行参数的实时感知

5.3.3 飞行器的控制方式

5.3.4 飞行控制方法

5.4 姿态控制系统的分析与设计

5.4.1 姿态控制特征及其性能指标

5.4.2 姿态控制的方案选择

5.4.3 稳定控制回路设计

5.4.4 数字式飞行控制系统设计

小 结

思考题

第6章 无人机控制执行机构

6.1 动力系统

6.1.1 燃油发动机

6.1.2 电池、电机和电调

6.2 伺服舵机系统

6.2.1 电动舵机

6.2.2 液压舵机

6.2.3 电动液压复合舵机

6.3 刹车系统

6.3.1 刹车系统的工作原理

6.3.2 刹车系统的分类和组成

6.4 伞降系统

6.4.1 无人机伞降系统简介

6.4.2 切伞装置

6.4.3 无人机伞降系统的发展方向

小 结

思考题

第二部分 多旋翼无人机系统

第7章 旋翼无人机飞行原理

7.1 旋翼无人机的基本结构组成

7.1.1 机械结构

7.1.2 自动驾驶仪

7.1.3 通信系统

7.1.4 机动化组件

7.1.5 实用载荷

7.1.6 地面设施

7.1.7 保护措施与安全设备

7.2 直升机飞行力学及飞行原理

7.2.1 直升机旋翼的作用

7.2.2 直升机的典型飞行状态分析

7.2.3 直升机的操纵

7.3 四旋翼无人机飞行力学及飞行原理

7.4 其他构型多旋翼无人机简介

7.4.1 四旋翼无人机

7.4.2 六旋翼无人机

7.4.3 八旋翼无人机

7.4.4 同轴多引擎无人机

7.4.5 H 形无人机

小 结

思考题

第8章 无人直升机的基础建模与控制

8.1 无人直升机的基础建模

8.1.1 单旋翼直升机的建模

8.1.2 共轴旋翼直升机的建模

8.2 无人直升机的控制和稳定性

8.2.1 单旋翼直升机的控制和稳定性

8.2.2 共轴旋翼直升机的控制和稳定性

8.3 无人直升机的控制系统设计

8.3.1 控制

8.3.2 预先控制

小 结

思考题

第9章 多旋翼无人机的基础建模与控制

9.1 多旋翼无人机的基础建模

9.1.1 刚体动力学模型

9.1.2 气动力和扭矩

9.2 多旋翼无人机的控制系统设计

9.3 多旋翼无人机的稳定性分析

小 结

思考题

第10章 旋翼飞行器的制导与导航系统

10.1 引 言

10.2 旋翼飞行器的嵌入式制导系统

10.2.1 任务定义和路径规划

10.2.2 飞行模式管理

10.2.3 安全程序和飞行终止系统

10.2.4 参考轨迹的实时生成

10.3 旋翼飞行器的传统导航系统

10.3.1 姿态和航向参考系统

10.3.2 坐标和速度估算

10.3.3 运用压力传感器和惯性导航系统的高度估算

10.4 视觉导航系统在小型旋翼无人机中的应用

10.4.1 导航中的视觉处理

10.4.2 实时视觉导航算法

小 结

思考题

第11章 小型四旋翼无人机系统的搭建实例

11.1 安全常识

11.2 四旋翼系统工具及零部件准备

11.2.1 需要的工具及相关使用方法

11.2.2 四旋翼无人机的组件

11.3 四旋翼系统结构装配

11.3.1 动力系统和飞控系统预调试

11.3.2 机体组装

11.4 整机调试及飞行

11.4.1 飞行准备

11.4.2 试 飞

小 结

思考题

第三部分 新构型无人机系统简介

第12章 旋翼固定翼复合无人机

12.1 旋翼固定翼复合无人机应用需求及性能特点

12.2 国内外研究概况和发展趋势

12.2.1 推力定向类旋翼固定翼复合无人机

12.2.2 推力换向类旋翼固定翼复合无人机

12.3 两类常见的旋翼固定翼复合飞行器及其控制

12.3.1 复合式高速直升机

12.3.2 倾转旋翼式飞行器

小 结

思考题

参考文献

本书从无人机的控制角度入手，侧重不同构型无人机的飞行力学及控制方法介绍，让读者从无人机*核心的飞行原理及控制层面去了解无人机。此外，本书在介绍理论知识的同时，还兼顾无人机的操作实践，以*朴实的语言向读者简单介绍了一架小型四旋翼无人机从拼装制作到控制调试飞行的全过程，力争让读者更直观地了解无人机。全书按照无人机的构型分为三个部分，共12章。

本书适合航空相关专业的本科生学习或具有一定基础的无人机相关行业读者参考。

北京航空航天大学资深教师编写，配有教学课件