多旋翼無人機系統與應用
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內容簡介
本書從技術與應用相結合的角度，系統地介紹了多旋翼無人機系統的基本理論、設計方法與應用示範。全書内容包括多旋翼無人機的基本概念、飛行原理與動力學建模、系統搆成與實現、空氣動力學、導航資訊融合、姿態穩定與航跡跟踪控制、故障容錯控制、載荷系統以及應用示範。
本書適合多旋翼無人機領域的技術人員閲讀，也可以作爲高等院校無人機專業高年級本科生和研究生的教學參考。
本書適合多旋翼無人機領域的技術人員閲讀，也可以作爲高等院校無人機專業高年級本科生和研究生的教學參考。
目錄
第1章 緒論
參考文獻
第2章 多旋翼無人機的飛行原理與動力學建模
2.1 多旋翼無人機的飛行原理
2.2 多旋翼無人機的動力學建模
2.2.1 坐標及坐標轉換關係
2.2.2 多旋翼無人機動力學方程
2.2.3 多旋翼無人機運動學方程
2.2.4 多旋翼無人機控制關係方程
2.2.5 多旋翼無人機運動方程組
2.2.6 多旋翼無人機的機動性能分析
2.3 多旋翼無人機穩定飛行基本條件
2.3.1 無人機硬件可靠性
2.3.2 無人機軟件可靠性
參考文獻
第3章 多旋翼無人機系統構成與實現
3.1 執行單元
3.1.1 螺旋槳
3.1.2 電機與電調
3.2 飛行控制系統
3.3 地面站系統
3.4 導航系統
3.5 測控鏈路
3.5.1 長距離遙控遙測裝置
3.5.2 高清無線數字視頻發射機
3.5.3 手持高清無線視頻接收機
3.6 多旋翼無人機系統自主控制體系結構
參考文獻
第4章 多旋翼無人機空氣動力學
4.1 概述
4.2 低雷諾數下的多旋翼系統
4.2.1 考慮空氣黏度的旋翼氣動理論計算
4.2.2 考慮旋翼間干擾的多旋翼系統
4.2.3 黏性效應和翼間干擾的影響
4.3 數值模擬方法及驗證
4.3.1 旋翼數值模擬方法
4.3.2 單旋翼數值模擬
4.3.3 單旋翼實驗驗證
4.4 共軸雙旋翼單元氣動特性分析
4.5 非平面式雙旋翼單元氣動特性分析
4.5.1 非平面雙旋翼實驗研究
4.5.2 非平面雙旋翼氣動特性數值模擬
4.6 非平面式雙旋翼單元來流實驗研究
4.6.1 實驗設計
4.6.2 非平面旋翼實驗結果分析
參考文獻
第5章 多旋翼無人機導航資訊融合
5.1 引言
5.2 傳感器特性分析與數據預處理
5.2.1 傳感器介紹與特性分析
5.2.2 傳感器誤差分析與校正
5.3 多旋翼無人機姿態資訊融合
5.3.1 非線性姿態角資訊融合系統建模
5.3.2 姿態資訊融合算法設計
5.3.3 姿態資訊融合實驗與分析
5.4 多旋翼無人機位置、速度資訊融合
5.4.1 水平方向速度和位置資訊融合
5.4.2 垂直方向速度和位置資訊融合
5.5 低成本組合導航傳感器特性分析與預處理
5.5.1 組合導航傳感器特性分析
5.5.2 INS誤差源分析及預處理
5.5.3 磁力計/氣壓高度計/GNSS誤差建模和預處理
5.6 低成本組合導航資訊融合
5.6.1 組合導航資訊算法選定
5.6.2 高維數EKF算法設計
5.6.3 組合導航EKF初始對準及方差自適應整定
5.6.4 EKF-CPF動態容錯算法
5.6.5 組合導航EKF-CPF仿真設計與驗證
5.6.6 組合導航EKF-CPF算法實測分析
5.7 多旋翼無人機狀態感知
參考文獻
第6章 多旋翼無人機姿態穩定與航跡跟踪控制
6.1 概述
6.2 多旋翼無人機姿態穩定控制器設計與實驗
6.2.1 多旋翼無人機姿態穩定控制模型
6.2.2 自適應徑向基神經網絡的反步滑模姿態穩定控制器設計
6.2.3 自適應徑向基神經網絡的反步滑模姿態穩定控制仿真驗證
6.3 多旋翼無人機航跡跟踪控制器設計與實驗
6.3.1 自抗擾航跡跟踪控制器
6.3.2 線性自抗擾航跡跟踪控制器
6.3.3 傾斜轉彎模式自主軌跡跟踪控制器
6.4 多旋翼無人機姿態抗飽和控制器設計與實驗
6.4.1 無人機偏航靜態抗飽和控制
6.4.2 無人機偏航抗積分飽和控制
參考文獻
第7章 多旋翼無人機的故障容錯控制
7.1 概述
7.2 多旋翼無人機執行單元的故障模型
7.2.1 直流電動機的數學模型
7.2.2 驅動電路板故障
7.2.3 旋翼的升力模型
7.2.4 執行單元升力故障模型
7.3 十二旋翼無人機增益型故障容錯控制
7.3.1 增益型故障情況下十二旋翼無人機的數學模型
7.3.2 十二旋翼無人機增益型故障檢測算法設計
7.3.3 多旋翼無人機增益型故障重構容錯控制器設計
7.3.4 十二旋翼無人機增益型故障容錯控制仿真實驗
7.3.5 對比四旋翼無人機增益型故障容錯控制
7.4 十二旋翼無人機執行單元失效型故障容錯控制
7.4.1 四旋翼無人機故障下的動力學特性
7.4.2 十二旋翼無人機的失效型故障下的動力學分析
7.4.3 十二旋翼無人機失效型故障的故障檢測算法
7.4.4 十二旋翼無人機失效型故障容錯控制仿真實驗
7.5 六旋翼無人機容錯控制
7.5.1 執行單元故障檢測與診斷系統
7.5.2 基於最優分類面的故障診斷算法
7.5.3 基於擴展卡爾曼濾波算法的故障觀測器
7.5.4 自重構控制算法
參考文獻
第8章 多旋翼無人機載荷系統
8.1 光電載荷雲台設計
8.1.1 光電載荷雲台
8.1.2 光電載荷雲台靜力學分析
8.1.3 光電載荷雲台振動分析
8.1.4 光電載荷雲台結構優化
8.1.5 光電載荷雲台控制系統設計
8.1.6 光電載荷雲台複合補償控制方法
8.1.7 系統設計與實驗分析
8.2 生物製劑投放裝置設計
8.3 農藥噴灑裝置設計
參考文獻
第9章 多旋翼無人機應用示範
9.1 生物防治應用
9.1.1 基於多旋翼無人機的智能投放系統應用示範
9.1.2 基於多旋翼無人機的智能投放系統標準化操作流程
9.2 精準農業應用
9.2.1 多旋翼無人機光譜遙感系統
9.2.2 水稻氮元素光譜實驗分析
9.2.3 水稻葉片資訊獲取與分析
9.2.4 基於多旋翼無人機的遙感數據採集系統標準化操作流程
參考文獻
參考文獻
第2章 多旋翼無人機的飛行原理與動力學建模
2.1 多旋翼無人機的飛行原理
2.2 多旋翼無人機的動力學建模
2.2.1 坐標及坐標轉換關係
2.2.2 多旋翼無人機動力學方程
2.2.3 多旋翼無人機運動學方程
2.2.4 多旋翼無人機控制關係方程
2.2.5 多旋翼無人機運動方程組
2.2.6 多旋翼無人機的機動性能分析
2.3 多旋翼無人機穩定飛行基本條件
2.3.1 無人機硬件可靠性
2.3.2 無人機軟件可靠性
參考文獻
第3章 多旋翼無人機系統構成與實現
3.1 執行單元
3.1.1 螺旋槳
3.1.2 電機與電調
3.2 飛行控制系統
3.3 地面站系統
3.4 導航系統
3.5 測控鏈路
3.5.1 長距離遙控遙測裝置
3.5.2 高清無線數字視頻發射機
3.5.3 手持高清無線視頻接收機
3.6 多旋翼無人機系統自主控制體系結構
參考文獻
第4章 多旋翼無人機空氣動力學
4.1 概述
4.2 低雷諾數下的多旋翼系統
4.2.1 考慮空氣黏度的旋翼氣動理論計算
4.2.2 考慮旋翼間干擾的多旋翼系統
4.2.3 黏性效應和翼間干擾的影響
4.3 數值模擬方法及驗證
4.3.1 旋翼數值模擬方法
4.3.2 單旋翼數值模擬
4.3.3 單旋翼實驗驗證
4.4 共軸雙旋翼單元氣動特性分析
4.5 非平面式雙旋翼單元氣動特性分析
4.5.1 非平面雙旋翼實驗研究
4.5.2 非平面雙旋翼氣動特性數值模擬
4.6 非平面式雙旋翼單元來流實驗研究
4.6.1 實驗設計
4.6.2 非平面旋翼實驗結果分析
參考文獻
第5章 多旋翼無人機導航資訊融合
5.1 引言
5.2 傳感器特性分析與數據預處理
5.2.1 傳感器介紹與特性分析
5.2.2 傳感器誤差分析與校正
5.3 多旋翼無人機姿態資訊融合
5.3.1 非線性姿態角資訊融合系統建模
5.3.2 姿態資訊融合算法設計
5.3.3 姿態資訊融合實驗與分析
5.4 多旋翼無人機位置、速度資訊融合
5.4.1 水平方向速度和位置資訊融合
5.4.2 垂直方向速度和位置資訊融合
5.5 低成本組合導航傳感器特性分析與預處理
5.5.1 組合導航傳感器特性分析
5.5.2 INS誤差源分析及預處理
5.5.3 磁力計/氣壓高度計/GNSS誤差建模和預處理
5.6 低成本組合導航資訊融合
5.6.1 組合導航資訊算法選定
5.6.2 高維數EKF算法設計
5.6.3 組合導航EKF初始對準及方差自適應整定
5.6.4 EKF-CPF動態容錯算法
5.6.5 組合導航EKF-CPF仿真設計與驗證
5.6.6 組合導航EKF-CPF算法實測分析
5.7 多旋翼無人機狀態感知
參考文獻
第6章 多旋翼無人機姿態穩定與航跡跟踪控制
6.1 概述
6.2 多旋翼無人機姿態穩定控制器設計與實驗
6.2.1 多旋翼無人機姿態穩定控制模型
6.2.2 自適應徑向基神經網絡的反步滑模姿態穩定控制器設計
6.2.3 自適應徑向基神經網絡的反步滑模姿態穩定控制仿真驗證
6.3 多旋翼無人機航跡跟踪控制器設計與實驗
6.3.1 自抗擾航跡跟踪控制器
6.3.2 線性自抗擾航跡跟踪控制器
6.3.3 傾斜轉彎模式自主軌跡跟踪控制器
6.4 多旋翼無人機姿態抗飽和控制器設計與實驗
6.4.1 無人機偏航靜態抗飽和控制
6.4.2 無人機偏航抗積分飽和控制
參考文獻
第7章 多旋翼無人機的故障容錯控制
7.1 概述
7.2 多旋翼無人機執行單元的故障模型
7.2.1 直流電動機的數學模型
7.2.2 驅動電路板故障
7.2.3 旋翼的升力模型
7.2.4 執行單元升力故障模型
7.3 十二旋翼無人機增益型故障容錯控制
7.3.1 增益型故障情況下十二旋翼無人機的數學模型
7.3.2 十二旋翼無人機增益型故障檢測算法設計
7.3.3 多旋翼無人機增益型故障重構容錯控制器設計
7.3.4 十二旋翼無人機增益型故障容錯控制仿真實驗
7.3.5 對比四旋翼無人機增益型故障容錯控制
7.4 十二旋翼無人機執行單元失效型故障容錯控制
7.4.1 四旋翼無人機故障下的動力學特性
7.4.2 十二旋翼無人機的失效型故障下的動力學分析
7.4.3 十二旋翼無人機失效型故障的故障檢測算法
7.4.4 十二旋翼無人機失效型故障容錯控制仿真實驗
7.5 六旋翼無人機容錯控制
7.5.1 執行單元故障檢測與診斷系統
7.5.2 基於最優分類面的故障診斷算法
7.5.3 基於擴展卡爾曼濾波算法的故障觀測器
7.5.4 自重構控制算法
參考文獻
第8章 多旋翼無人機載荷系統
8.1 光電載荷雲台設計
8.1.1 光電載荷雲台
8.1.2 光電載荷雲台靜力學分析
8.1.3 光電載荷雲台振動分析
8.1.4 光電載荷雲台結構優化
8.1.5 光電載荷雲台控制系統設計
8.1.6 光電載荷雲台複合補償控制方法
8.1.7 系統設計與實驗分析
8.2 生物製劑投放裝置設計
8.3 農藥噴灑裝置設計
參考文獻
第9章 多旋翼無人機應用示範
9.1 生物防治應用
9.1.1 基於多旋翼無人機的智能投放系統應用示範
9.1.2 基於多旋翼無人機的智能投放系統標準化操作流程
9.2 精準農業應用
9.2.1 多旋翼無人機光譜遙感系統
9.2.2 水稻氮元素光譜實驗分析
9.2.3 水稻葉片資訊獲取與分析
9.2.4 基於多旋翼無人機的遙感數據採集系統標準化操作流程
參考文獻
序／導讀
多旋翼無人機作為一個具有巨大市場潜力的新興産品，得到了中國內外研究者的廣泛重視。作者所在研究團隊自2007年成立以來，進行了一系列多旋翼無人機相關關鍵技術突破和整機的研發工作，經過11年的研究積累，研製了具有完全自主知識産權的H6、CQ8、CH12、CQ16、CQH36系列10餘款的工業無人機産品，完成了實驗室技術研發及批量試用，目前正在農牧業、警察、電力、應急搶險等領域進行産業化推廣。
本書是作者在多旋翼無人機研究工作的基礎上，結合所在團隊的研究成果及中國內外研究進展編著而成的，系統地介紹了多旋翼無人機系統基本理論、設計方法與應用示範。
本書在介紹多旋翼無人機基礎知識的基礎上，對當前多旋翼無人機相關領域的先進研究、熱點問題進行了分析。第1章主要介紹了多旋翼無人機的基本概念、發展歷程、研究概況與應用。第2章主要介紹了多旋翼無人機的飛行原理與動力學建模，給出了多旋翼無人機穩定飛行的基本條件。第3章主要介紹了多旋翼無人機系統構成與實現，針對多旋翼無人機系統中的執行單元、飛行控制系統、地面站系統、導航系統、測控鏈路及其自主控制體系結構分別加以闡述。第4章主要討論了多旋翼無人機的空氣動力學，分別分析了在低雷諾數條件下的共軸雙旋翼單元氣動特性與非平面式雙旋翼單元氣動特性。第5章主要研究了多旋翼無人機導航資訊融合，設計了多旋翼無人機的姿態資訊融合算法與位置、速度資訊融合算法。考慮到多旋翼無人機的低成本化趨勢，進一步設計了低成本組合導航系統及具有主動容錯能力的數據融合算法。最後簡要介紹了多旋翼無人機的狀態感知理論。第6章主要研究了多旋翼無人機的姿態穩定與航跡跟蹤控制，為保證無人機達到姿態穩定，設計了姿態穩定控制器。在執行器飽和情況下，設計了姿態抗飽和控制器。進一步為實現精確航跡跟蹤目標，設計了航跡跟蹤控制器。第7章主要介紹了多旋翼無人機故障容錯控制。針對十二旋翼無人機與六旋翼無人機分別設計了增益型故障的容錯控制策略與執行單元失效故障容錯控制策略。第8章主要介紹了多旋翼無人機載荷系統。重點介紹了作者團隊自主研發的機載光電載荷裝置、機載雲臺及其穩像控制、生物製劑投放載荷裝置以及農藥噴灑載荷裝置。第9章主要介紹了作者團隊自主研發的多旋翼無人機相關應用示範，重點介紹了在生物防治與精準農業上的應用。
本書的研究内容總結了作者團隊的研究成果，特別感謝與作者共同研究並對這些研究成果做出貢獻的研究人員：宫勛、雷瑶、趙常均、張欣、王日俊、徐東甫、裴信彪、王純陽、裴彦華。
近年來，多旋翼無人機研究發展迅速，不斷取得新的進展。作者雖然力圖在本書中能夠體現多旋翼無人機的主要進展，但由於多旋翼無人機技術不斷發展，再加之作者水平有限，難以全面、完整地對當前研究前沿及熱點問題一一探討。書中存在的不妥之處，敬請讀者批評指正，在此不勝感激。
本書是作者在多旋翼無人機研究工作的基礎上，結合所在團隊的研究成果及中國內外研究進展編著而成的，系統地介紹了多旋翼無人機系統基本理論、設計方法與應用示範。
本書在介紹多旋翼無人機基礎知識的基礎上，對當前多旋翼無人機相關領域的先進研究、熱點問題進行了分析。第1章主要介紹了多旋翼無人機的基本概念、發展歷程、研究概況與應用。第2章主要介紹了多旋翼無人機的飛行原理與動力學建模，給出了多旋翼無人機穩定飛行的基本條件。第3章主要介紹了多旋翼無人機系統構成與實現，針對多旋翼無人機系統中的執行單元、飛行控制系統、地面站系統、導航系統、測控鏈路及其自主控制體系結構分別加以闡述。第4章主要討論了多旋翼無人機的空氣動力學，分別分析了在低雷諾數條件下的共軸雙旋翼單元氣動特性與非平面式雙旋翼單元氣動特性。第5章主要研究了多旋翼無人機導航資訊融合，設計了多旋翼無人機的姿態資訊融合算法與位置、速度資訊融合算法。考慮到多旋翼無人機的低成本化趨勢，進一步設計了低成本組合導航系統及具有主動容錯能力的數據融合算法。最後簡要介紹了多旋翼無人機的狀態感知理論。第6章主要研究了多旋翼無人機的姿態穩定與航跡跟蹤控制，為保證無人機達到姿態穩定，設計了姿態穩定控制器。在執行器飽和情況下，設計了姿態抗飽和控制器。進一步為實現精確航跡跟蹤目標，設計了航跡跟蹤控制器。第7章主要介紹了多旋翼無人機故障容錯控制。針對十二旋翼無人機與六旋翼無人機分別設計了增益型故障的容錯控制策略與執行單元失效故障容錯控制策略。第8章主要介紹了多旋翼無人機載荷系統。重點介紹了作者團隊自主研發的機載光電載荷裝置、機載雲臺及其穩像控制、生物製劑投放載荷裝置以及農藥噴灑載荷裝置。第9章主要介紹了作者團隊自主研發的多旋翼無人機相關應用示範，重點介紹了在生物防治與精準農業上的應用。
本書的研究内容總結了作者團隊的研究成果，特別感謝與作者共同研究並對這些研究成果做出貢獻的研究人員：宫勛、雷瑶、趙常均、張欣、王日俊、徐東甫、裴信彪、王純陽、裴彦華。
近年來，多旋翼無人機研究發展迅速，不斷取得新的進展。作者雖然力圖在本書中能夠體現多旋翼無人機的主要進展，但由於多旋翼無人機技術不斷發展，再加之作者水平有限，難以全面、完整地對當前研究前沿及熱點問題一一探討。書中存在的不妥之處，敬請讀者批評指正，在此不勝感激。
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