多旋翼技术基础
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作者符长青 曹兵
出版社清华大学出版社
ISBN9787302456520
出版时间2016-12
装帧平装
开本16开
定价39.5元
货号24167267
上书时间2024-10-21
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前言
序言
前言多旋翼无人机，也称为多旋翼无人直升机，是一种没有搭载驾驶人员的旋翼飞行器，具有垂直起降、空中悬停、低空飞行和原地回转等独特飞行技能，在民用和军用市场上都大有用武之地。在人类航空史上，多旋翼无人机从概念到应用，经历了一段漫长的发展过程。近年来，多旋翼无人机作为航空产品领域的一枝新秀，以新颖的结构布局、独特的飞行方式和广泛的用途引起了人们越来越多的关注和重视，风行全球，迅速成为新的创业、创新研究热点。特别是当这种简单而又可实现的飞行可能糅合进了人们头脑中从小就有的、总也挥之不去的飞行梦想时，就极大地激发起了大家对翱翔于蓝天白云的渴望和激情。一时间，研究者、投资者和广大的航模爱好者接踵而至，纷纷开始多旋翼无人机的研发、投资和使用，经过近5年起步阶段的实验研究、技术积累和市场摸索，多旋翼无人机大规模发展的序幕逐步被拉开。现在，多旋翼无人机在国内外市场上商机无限，世界各国掀起了一股研发和广泛应用多旋翼无人机的热潮，特别是属于消费级的微型机，其操作简单、价格便宜，市场上有众多适合个人自己动手组装（DIY）的成套软硬配件出售，只要自己动动手，经过简单的组装，就能实现每个人自幼年就有的“飞行梦想”。遥望蓝天，每天都有成千上万架多旋翼无人机在空旷的田野上，在风景怡人的旅游胜地，在居民自家的后院或客厅中腾空而起，承载着人们的“飞行梦想”自由飞翔。多旋翼无人机的大特点是具有多个旋翼，它采用旋翼变速或桨叶变总距（无周期变距）的方式改变旋翼升力的大小，因而取消了传统单旋翼直升机操纵系统中必不可少的自动倾斜器。多旋翼无人机通常都有4个或更多个旋翼，如4旋翼式、6旋翼式、8旋翼式、16旋翼式和32旋翼式等。多旋翼无人机的第二大特点是飞机上没有搭载驾驶员，即机上无人。事实上，多旋翼无人机并不是真正离开了人，虽然机上确实没有载人，但它却离不开身在地面上驾驶操纵它的人（驾驶员）。因此，多旋翼无人机要想真正完成一项特定的任务，光靠能在天空中自由飞行的旋翼机本身还是不够的，除了旋翼机及其携带的任务设备外，还需要有地面控制设备、数据通信设备、维护设备，以及指挥控制其必要的操作、维护人员等。因此，完整意义上的多旋翼无人机应称为多旋翼无人机系统，它是一种闭环控制回路的“人－机系统”。本质上，多旋翼无人机属于一种电子自动化和智能化控制的高科技产品，技术含量相当高，其研制设计和应用发展等问题需要引起大家足够的重视。本书作者符长青有40多年的实践经验，其中有20多年从事直升机设计和研究，有20多年从事计算机软件开发，近几年来在广东科技学院担任专业课教师，有机会将工作实践、教学经验与理论研究相结合并完成了本书的编著工作。本书第二作者曹兵是辽宁天行健航空科技公司董事长，有多年从事多旋翼无人机研制和生产的工作经历。本书取材来源于作者的工作实践和专业知识，系统而又全面地介绍了多旋翼无人机基本技术的主要内容。在编著本书的过程中，作者得到了南京航空航天大学高正教授、张呈林教授、陈仁良教授、王华明教授的大力支持和帮助，他们提供了许多技术资料和编写意见，作者借此机会表示衷心的感谢。与此同时，本书在编著过程中还得到了广东科技学院副院长黄弢教授、计算机系主任曹文文教授，以及有关部门的领导、专家与同仁的大力支持与帮助，参考和引用了部分著作及文献资料，在此表示深深的谢意。在编著本书的过程中，尽管作者付出了大量的艰苦努力，但由于学识有限，本书可能在许多方面存在不足，欢迎同行指正和交流（联系方式fcq828@163.com）。作者十分希望能与国内同行携手，大家一起共同努力，将我国多旋翼无人机发展水平推向一个新的高度。作者2016年9月
导语摘要
针对“大众创业、万众创新”的新时代培养高级人才、创新型人才和复合型人才的需要，本书系统而全面地介绍了多旋翼无人机技术基础的主要内容和知识体系。全书共分9章，主要内容包括概述、多旋翼无人机飞行原理和翼型设计、DIY 4旋翼无人机组装、多旋翼无人机动力装置、多旋翼无人机空气动力学、多旋翼无人机结构动力学、多旋翼无人机气动弹性力学、多旋翼无人机飞行控制技术和多旋翼无人机总体设计。每一章节*后都给出了该章的小结和习题。本书取材来源于实践，选材新颖、内容丰富、概念清楚易懂，具有很强的可操作性，既适合作为高等院校相关专业大学生的专业基础课程教材，也适合作为相关专业研究生及从事多旋翼无人机科研、生产和培训机构工作人员，以及广大航模爱好者的学习培训教材，对于希望全面了解多旋翼无人机知识的其他读者，本书也是一本较好的参考读物。
目录目录
第1章概述
1.1与多旋翼无人机相关的基本概念
1.1.1基本的物理概念和定律
1.1.2系统论的基本概念
1.1.3控制论的基本概念
1.2多旋翼无人机系统的基本概念
1.2.1多旋翼无人机的定义
1.2.2多旋翼无人机系统及其飞行机组
1.3多旋翼无人机的构型、用途及分类
1.3.1多旋翼无人机的构型和用途
1.3.2多旋翼无人机的分类
1.4多旋翼无人机的发展历程和市场前景
1.4.1多旋翼无人机的发展历程
1.4.2多旋翼无人机市场
1.4.3多旋翼无人机的典型案例
1.5民用多旋翼无人机飞行管理
1.5.1航空空域的划分
1.5.2与民用多旋翼无人机飞行相关的法律问题
1.5.3民用多旋翼无人机飞行管理文件
本章小结
习题
第2章多旋翼无人机的飞行原理和翼型设计
2.1多旋翼无人机的飞行原理和控制方式
2.1.1多旋翼无人机的飞行原理
2.1.2多旋翼无人机的飞行控制
2.2多旋翼无人机的特点和对比分析
2.2.1多旋翼无人机的特点
2.2.2多旋翼无人机的对比分析
2.3翼型的几何参数和主要类型
2.3.1翼型的定义和几何参数
2.3.2空气在翼型表面的流动和压力分布
2.3.3翼型的主要类型
2.4翼型空气动力特性和影响因素
2.4.1翼型空气动力特性
2.4.2影响翼型空气动力的因素
2.4.3翼型的选择
2.5多旋翼无人机飞行速度受限的原因和翼型设计
2.5.1多旋翼无人机飞行速度受限的主要原因
2.5.2多旋翼无人机桨叶翼型设计
本章小结
习题
第3章DIY 4旋翼无人机组装
3.1DIY多旋翼无人机的基本概念
3.1.1DIY精神和DIY多旋翼无人机的定义
3.1.24旋翼无人机的组成和DIY步骤
3.2DIY 4旋翼无人机部件的要求和选择
3.2.1DIY 4旋翼无人机部件的要求
3.2.2DIY 4旋翼无人机机架、旋翼与动力装置的选择
3.2.3DIY 4旋翼无人机自动驾驶仪的选择
3.2.4DIY 4旋翼无人机传感器的类型
3.2.5DIY 4旋翼无人机遥控系统的选择
3.3DIY 4旋翼无人机的组装
3.3.1DIY 4旋翼无人机组装前的准备工作
3.3.2DIY 4旋翼无人机自制或组装机架
3.3.3DIY 4旋翼无人机整体组装前的准备
3.3.4DIY 4旋翼无人机的整体组装
3.4DIY 4旋翼无人机的调试
3.4.1DIY 4旋翼无人机无桨调试
3.4.2DIY 4旋翼无人机有桨调试
3.5DIY 4旋翼无人机的操作练习
3.5.1飞行前的检查工作
3.5.2DIY 4旋翼无人机基本操作练习
3.5.3DIY 4旋翼无人机日常飞行练习
3.5.4航模模拟器
3.6民用飞机的适航管理
本章小结
习题
第4章多旋翼无人机动力装置
4.1多旋翼无人机动力装置的基本概念
4.1.1多旋翼无人机发动机的分类、功用和要求
4.1.2多旋翼无人机动力装置的组成
4.2直流电动机
4.2.1直流电动机的基本概念
4.2.2无刷直流电机
4.2.3有刷直流电机
4.2.4空心杯电机
4.3航空活塞式发动机
4.3.1航空活塞式发动机的类型和结构
4.3.2航空活塞式发动机的工作系统和原理
4.3.3旋转活塞式发动机
4.3.4航空活塞式发动机的工作特性
4.4涡轮轴发动机
4.4.1涡轮轴发动机的分类和工作原理
4.4.2涡轮轴发动机的基本结构
4.4.3涡轮轴发动机的工作特性
4.4.4多旋翼无人机燃油发动机不同类型的比较
4.5多旋翼无人机燃油系统和滑油系统
4.5.1多旋翼无人机燃油系统
4.5.2多旋翼无人机滑油系统
4.6多旋翼无人机传动系统
4.6.1多旋翼无人机传动系统的结构和部件
4.6.2多旋翼无人机传动系统的动力学和临界转速
4.6.3旋翼/动力/传动系统的动力学问题
本章小结
习题
第5章多旋翼无人机空气动力学
5.1旋翼飞行器空气动力学的基本概念
5.1.1空气动力学的基本概念
5.1.2旋翼飞行器空气动力学的定义、内容和工具
5.2旋翼的几何参数和工作原理
5.2.1旋翼的功用和几何参数
5.2.2旋翼参数的无因次化
5.2.3旋翼的工作原理
5.3旋翼动量理论的基础知识
5.3.1垂直飞行的动量理论
5.3.2前飞时的动量理论
5.4旋翼叶素理论的基础知识
5.4.1垂直飞行的叶素理论
5.4.2前飞时的叶素理论
5.5旋翼经典涡流理论的基础知识
5.5.1垂直飞行的经典涡流理论
5.5.2前飞时的经典涡流理论
5.6旋翼现代涡流理论的基础知识
5.6.1悬停时旋翼自由尾迹分析
5.6.2前飞时旋翼自由尾迹分析
5.7旋翼CFD理论基础知识
5.7.1计算流体力学的定义和特点
5.7.2旋翼流场的控制方程
5.7.3控制方程的离散化方法
本章小结
习题
第6章多旋翼无人机结构动力学
6.1多旋翼无人机结构动力学的基本概念
6.1.1多旋翼无人机结构动力学的定义和特点
6.1.2多旋翼无人机结构动力学的研究方法和模型
6.1.3多旋翼无人机振动的类型
6.1.4简谐振动与谐波分析
6.1.5单自由度系统的自由振动
6.2多旋翼无人机旋翼结构动力学分析
6.2.1旋翼的结构形式
6.2.2多旋翼无人机的旋翼桨叶振动
6.2.3多旋翼无人机旋翼整体振型
6.3多旋翼无人机传动系统结构的动力学分析
6.3.1多旋翼无人机传动轴的临界转速
6.3.2多旋翼无人机传动系统的扭转振动
6.4多旋翼无人机机体结构动力学分析
6.4.1多旋翼无人机机体结构的类型和特点
6.4.2多旋翼无人机机体结构动力学的研究方法
6.4.3多旋翼无人机机体动力学有限元分析
本章小结
习题
第7章多旋翼无人机气动弹性力学
7.1多旋翼无人机气动弹性力学的基本概念
7.1.1多旋翼无人机气动弹性力学的定义和特点
7.1.2非定常气动力基础
7.1.3非定常气动力计算的常用方法
7.2旋翼桨叶运动自由度之间的耦合
7.2.1旋翼桨叶运动自由度耦合的基本概念
7.2.2旋翼桨叶运动自由度耦合的主要形态
7.3多旋翼无人机旋翼气动弹性静力学
7.3.1旋翼气动弹性静力学的基本概念
7.3.2旋翼桨叶发散的基本原理和临界速度
7.4多旋翼无人机旋翼气动弹性动力学
7.4.1旋翼桨叶颤振的基本概念
7.4.2旋翼桨叶的经典颤振
7.4.3旋翼桨叶的失速颤振
7.4.4旋翼桨叶其他类型的耦合稳定性分析
7.5多旋翼无人机旋翼与机体耦合气动弹性稳定性
7.5.1旋翼—机体耦合系统的动不稳定性
7.5.2旋翼—机体耦合振动系统分析
本章小结
习题
第8章多旋翼无人机飞行控制技术
8.1多旋翼无人机飞行控制系统的基本概念
8.1.1多旋翼无人系统的基本概念
8.1.2多旋翼无人机飞行控制的基本概念
8.2多旋翼无人机飞行姿态的数学表示
8.2.1坐标系统与欧拉角
8.2.2旋转矩阵表示方法
8.2.3四元数表示方法
8.2.4多旋翼无人机姿态表示方法的比较
8.3多旋翼无人机飞行动力学建模
8.3.1建模假设和模型结构
8.3.2多旋翼无人机刚体运动学模型和动力学模型
8.3.3多旋翼无人机控制分配模型
8.3.4多旋翼无人机飞行控制通道和线性简化模型
8.4多旋翼无人机PID控制和卡尔曼滤波
8.4.1PID控制的基本概念
8.4.2PID参数调试
8.4.3卡尔曼滤波器
8.5多旋翼无人机的自动飞行控制
8.5.1飞行控制系统的总体结构和分层结构
8.5.2多旋翼无人机位置控制
8.5.3多旋翼无人机姿态控制
8.5.4多旋翼无人机控制分配
8.5.5多旋翼无人机动力控制
本章小结
习题
第9章多旋翼无人机总体设计
9.1多旋翼无人机设计的基本概念
9.1.1多旋翼无人机研制流程和设计定义
9.1.2多旋翼无人机设计的重要性、设计要求和原则
9.1.3多旋翼无人机设计任务和工作要求
9.2多旋翼无人机总体设计及后续过程
9.2.1多旋翼无人机总体设计定义和概念设计
9.2.2多旋翼无人机初步设计和总体设计特点
9.2.3多旋翼无人机详细设计、设计定型和生产定型
9.3多旋翼无人机的类型分析与选择
9.3.1多旋翼无人机的类型分析
9.3.2多旋翼无人机类型的选择
9.4多旋翼无人机总体参数的分析与选择
9.4.1多旋翼无人机旋翼参数的分析与选择
9.4.2多旋翼无人机重量与动力参数的分析与选择
9.5多旋翼无人机总体布局设计
9.5.1多旋翼无人机总体布局设计的任务和要求
9.5.2多旋翼无人机总体布局设计的内容
本章小结
习题
参考文献
内容摘要
针对“大众创业、万众创新”的新时代培养高级人才、创新型人才和复合型人才的需要，本书系统而全面地介绍了多旋翼无人机技术基础的主要内容和知识体系。全书共分9章，主要内容包括概述、多旋翼无人机飞行原理和翼型设计、DIY 4旋翼无人机组装、多旋翼无人机动力装置、多旋翼无人机空气动力学、多旋翼无人机结构动力学、多旋翼无人机气动弹性力学、多旋翼无人机飞行控制技术和多旋翼无人机总体设计。每一章节*后都给出了该章的小结和习题。
本书取材来源于实践，选材新颖、内容丰富、概念清楚易懂，具有很强的可操作性，既适合作为高等院校相关专业大学生的专业基础课程教材，也适合作为相关专业研究生及从事多旋翼无人机科研、生产和培训机构工作人员，以及广大航模爱好者的学习培训教材，对于希望全面了解多旋翼无人机知识的其他读者，本书也是一本较好的参考读物。
主编推荐
近年来，多旋翼无人机作为航空领域一枝新秀，引起了人们越来越多的关注和重视，风行全球，迅速成为新的创业、创新研究热点。其产品在国内外市场上商机无限，世界各国掀起了一股研发和广泛应用的热潮。特别是属于消费级的微型机，操作简单、价格便宜，市场上有众多适合个人自己动手组装（DIY）的成套软硬配件出售，只要自己动动手，经过简单的组装，就能实现每个人自幼就有的“飞行梦想”。但实际上，多旋翼无人机属于一种电子自动化和智能化控制的高科技产品，技术含量相当高，其研制设计和应用发展等技术问题需要引起大家足够的重视。作者紧密结合当前实际，根据自己40多年从事相关方面工作的经验编写了这本教材，系统全面地介绍了多旋翼无人机基本技术的方方面面，使学生对多旋翼无人机能有一个全面的认识。因此，本书的正式出版，既解决了教材缺乏的问题，也有助于同学们提高对“大众创业、万众创新”精神的认识。
精彩内容
第3章DIY 4旋翼无人机组装主要内容（1） DIY精神和DIY 4旋翼无人机。（2） DIY 4旋翼无人机部件的要求和选择。（3） DIY 4旋翼无人机的组装。（4） DIY 4旋翼无人机的调试。（5） DIY 4旋翼无人机的操作练习。3.1DIY多旋翼无人机的基本概念在多旋翼无人机销售市场上，低空、慢速、微轻型多旋翼无人机的销售量快速增加，占到民用无人机市场的绝大多数份额。为了满足不同消费者的需要，商家的销售方法主要有两种： 一种是销售成品机，消费者买回去可以直接放手飞； 另一种销售的不是成品机，而是组装所需软硬件的各种零配件。消费者通过购买、自造将所有零配件收集齐全后，可以自己动手组装出一架属于“自己制造”的无人机。3.1.1DIY精神和DIY多旋翼无人机的定义人类对飞行的梦想是与生俱来的。从载人热气球开始，到飞机再到无人机，人们逐渐实现了盼望已久的蓝天梦。到现在，飞机已经成为人们日常旅行的重要交通工具，而无人机，特别是小型无人机的真正发展时间不超过10年，从有成熟产品到现在不过短短4年，发展速度之快、市场需求之大令人瞠目。1. DIY精神的定义DIY是“Do It Yourself”的英文缩写，兴起于近几年，逐渐成为一种流行。简单来说，DIY就是自己动手，没有性别、年龄的区别，每个人都可以自己做，利用DIY做出来的物品自有一份自在与舒适。DIY起源于欧美，已有50年以上历史。在欧美国家，由于工人薪资非常高，所以一般居家修缮或家具布置，能自己动手做就尽量不找工人，以节省工资费用。国外DIY产品公司通常有一系列相配合的资信、材料、工具等，另外，产品所附的说明书非常详尽，自己动手做的过程不会有任何困难，而DIY产品的配件在超市就可轻易购得，因此，DIY产品就像是一般商品一样，随处可见到。Do It Yourself!这不是一句简单的英文，它代表的是一种精神。什么精神?自己去做，自己体验，挑战自我，享受其中的快乐，这就叫做DIY。DIY有标准吗?没有，没有标准就是DIY的标准，它是一种追求个性的表现。有个性的人总喜欢自己鼓捣东西，鼓捣出跟别人不一样的结果，所以说DIY是一种个性精神，这是其能够流行的关键。2. DIY多旋翼无人机的定义早的多旋翼无人机产品被定义成玩具、航模，因为它不仅很好玩，而且结构简单，制作方便，人人可以DIY。这样，人们与生俱来的飞行梦想通过简单的DIY就能得以实现，因而人们的热情在近两年内很快就被多旋翼无人机点燃起来了。DIY多旋翼无人机是指为自己想要的多旋翼无人机通过网络查找资料，购买材料，经过一番周折和不懈努力，组装完毕，后终于试飞成功。不论你是不是一个发烧友，只要你实实在在地动手组装过一架多旋翼无人机，你就体会到了DIY精神，即你就体会到了成功的喜悦及亲手实现飞行梦想所带来的快感。DIY
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