基本介紹
內容簡介,目錄,
內容簡介
本書探討了理解無人機問題所必需的物理系統和感測器方面的關鍵知識，包括底層的自動駕駛儀穩定性和高層的路徑規劃功能，對理解固定翼無人機的動態特性、控制和導航的關鍵概念和技術進行了全面且精煉的介紹，使具有初步控制或機器人背景的讀者能夠很快進入到無人機研究領域。
同時本書引導讀者從剛體動力學入手，經過空氣動力學、穩定性分析和用板載感測器進行狀態估計，最後實現穿越障礙物的飛行。為了幫助理解，還設計了豐富的利用Matlab/Simulink環境的仿真項目。讀者以剛體動力學建模開始，然後加入空氣動力學和感測器模型，可以開發底層的自動駕駛儀程式、狀態估計器和軌跡跟蹤路線，也可以設計高層的路徑規划算法。
目錄
第1章引言
1.1系統架構
1.2設計模型
1.3設計項目
第2章坐標系
2.1旋轉矩陣
2.2MAV坐標系
2.2.1慣性坐標系i
2.2.2飛機坐標系v
2.2.3飛機-1坐標系v1
2.2.4飛機-2坐標系v2
2.2.5機體坐標系b
2.2.6穩定坐標系s
2.2.7風軸坐標系w
2.3空速、風速和地速
2.4風速三角
2.5矢量的微分
2.6本章小結
注釋和參考文獻
2.7設計項目
第3章運動學與動力學
3.1狀態變數
3.2運動學
3.3剛體動力學
3.3.1平移運動
3.3.2旋轉運動
3.4本章小結
注釋和參考文獻
3.5設計項目
第4章力與力矩
4.1重力
4.2空氣動力與力矩
4.2.1控制面
4.2.2縱軸空氣動力學
4.2.3橫向空氣動力學
4.2.4空氣動力學係數
4.3推進力與力矩
4.3.1推進器推力
4.3.2推進器扭矩
4.4空氣干擾
1.1系統架構
1.2設計模型
1.3設計項目
第2章坐標系
2.1旋轉矩陣
2.2MAV坐標系
2.2.1慣性坐標系i
2.2.2飛機坐標系v
2.2.3飛機-1坐標系v1
2.2.4飛機-2坐標系v2
2.2.5機體坐標系b
2.2.6穩定坐標系s
2.2.7風軸坐標系w
2.3空速、風速和地速
2.4風速三角
2.5矢量的微分
2.6本章小結
注釋和參考文獻
2.7設計項目
第3章運動學與動力學
3.1狀態變數
3.2運動學
3.3剛體動力學
3.3.1平移運動
3.3.2旋轉運動
3.4本章小結
注釋和參考文獻
3.5設計項目
第4章力與力矩
4.1重力
4.2空氣動力與力矩
4.2.1控制面
4.2.2縱軸空氣動力學
4.2.3橫向空氣動力學
4.2.4空氣動力學係數
4.3推進力與力矩
4.3.1推進器推力
4.3.2推進器扭矩
4.4空氣干擾
4.5本章小結
注釋和參考文獻
4.6設計項目
第5章線性設計模型
5.1非線性運動方程的總結
5.2協調轉彎
5.3平衡條件
5.4傳遞函式模型
5.4.1橫向傳遞函式
5.4.2縱向傳遞函式
5.5線性狀態空間模型
5.5.1線性化
5.5.2橫向狀態空間方程
5.5.3縱向狀態空間方程
5.5.4降階模式
5.6本章小結
注釋和參考文獻
5.7設計項目
第6章基於連續閉環的自動駕駛儀設計
6.1連續閉環
6.2飽和約束和性能
6.3橫向自動駕駛儀
6.3.1滾轉姿態環設計
6.3.2航跡保持
6.3.3側滑保持
6.4縱向自動駕駛儀
6.4.1俯仰姿態控制
6.4.2利用俯仰指令的高度控制
6.4.3利用俯仰指令的空速控制
6.4.4利用油門的空速控制
6.4.5高度控制狀態機
6.5PID環的數字實現
6.6本章小結
6.6.1橫向自動駕駛儀設計過程總結
6.6.2縱向自動駕駛儀設計過程摘要
注釋和參考文獻
6.7設計項目
第7章MAV的感測器
注釋和參考文獻
4.6設計項目
第5章線性設計模型
5.1非線性運動方程的總結
5.2協調轉彎
5.3平衡條件
5.4傳遞函式模型
5.4.1橫向傳遞函式
5.4.2縱向傳遞函式
5.5線性狀態空間模型
5.5.1線性化
5.5.2橫向狀態空間方程
5.5.3縱向狀態空間方程
5.5.4降階模式
5.6本章小結
注釋和參考文獻
5.7設計項目
第6章基於連續閉環的自動駕駛儀設計
6.1連續閉環
6.2飽和約束和性能
6.3橫向自動駕駛儀
6.3.1滾轉姿態環設計
6.3.2航跡保持
6.3.3側滑保持
6.4縱向自動駕駛儀
6.4.1俯仰姿態控制
6.4.2利用俯仰指令的高度控制
6.4.3利用俯仰指令的空速控制
6.4.4利用油門的空速控制
6.4.5高度控制狀態機
6.5PID環的數字實現
6.6本章小結
6.6.1橫向自動駕駛儀設計過程總結
6.6.2縱向自動駕駛儀設計過程摘要
注釋和參考文獻
6.7設計項目
第7章MAV的感測器
7.1加速度計
7.2速率陀螺
7.3壓強感測器
7.3.1高度測量
7.3.2空速感測器
7.4數字指南針
7.5全球定位系統
7.5.1GPS測量誤差
7.5.2GPS定位誤差的瞬時特性
7.5.3GPS速率測量
7.6本章小結
注釋和參考文獻
7.7設計項目
第8章狀態估計
8.1基準機動飛行
8.2低通濾波器
8.3逆推感測器模型狀態估計
7.2速率陀螺
7.3壓強感測器
7.3.1高度測量
7.3.2空速感測器
7.4數字指南針
7.5全球定位系統
7.5.1GPS測量誤差
7.5.2GPS定位誤差的瞬時特性
7.5.3GPS速率測量
7.6本章小結
注釋和參考文獻
7.7設計項目
第8章狀態估計
8.1基準機動飛行
8.2低通濾波器
8.3逆推感測器模型狀態估計
8.3.1角速率
8.3.2高度
8.3.3空速
8.3.4轉動和傾斜角度
8.3.5位置、航線和對地速率
8.4動態觀測器理論
8.5連續-離散卡爾曼濾波器推導
8.6姿態估計
8.7GPS平滑
8.8本章小結
注釋和參考文獻
8.9設計項目
第9章制導系統的設計模型
9.1自動駕駛儀模型
9.2受控飛行的運動模型
9.2.1協調轉彎
9.2.2加速爬升
9.3運動制導模型
9.4動態制導模型
9.5本章小結
注釋和參考文獻
8.3.2高度
8.3.3空速
8.3.4轉動和傾斜角度
8.3.5位置、航線和對地速率
8.4動態觀測器理論
8.5連續-離散卡爾曼濾波器推導
8.6姿態估計
8.7GPS平滑
8.8本章小結
注釋和參考文獻
8.9設計項目
第9章制導系統的設計模型
9.1自動駕駛儀模型
9.2受控飛行的運動模型
9.2.1協調轉彎
9.2.2加速爬升
9.3運動制導模型
9.4動態制導模型
9.5本章小結
注釋和參考文獻
9.6設計項目
第10章直線和軌道跟蹤
10.1直線路徑跟隨
10.1.1直線跟隨的縱向制導策略
10.1.2直線跟隨的側向制導策略
10.2軌道跟隨
10.3本章小結
注釋和參考文獻
10.4設計項目
第11章路徑管理器
11.1位置點間的轉換
11.2Dubins路徑
11.2.1Dubins路徑定義
11.2.2路徑長度計算
11.2.3Dubins路徑追蹤算法
11.3本章小結
注釋和參考文獻
11.4設計項目
第12章路徑規劃
12.1點到點算法
12.1.1維諾圖
12.1.2快速探測隨機樹
12.2覆蓋算法
12.3本章小結
注釋與參考文獻
12.4設計項目
第13章基於視覺的導航
13.1框架、相機坐標系與投影幾何
13.1.1相機模型
13.2框架指向
13.3地理定位
13.3.1使用平地模型確定到目標的距離
13.3.2使用擴展卡爾曼濾波進行地球定位
13.4圖像平面內目標運動預估
13.4.1數字低通濾波器和差分
13.4.2旋轉導致的視運動
第10章直線和軌道跟蹤
10.1直線路徑跟隨
10.1.1直線跟隨的縱向制導策略
10.1.2直線跟隨的側向制導策略
10.2軌道跟隨
10.3本章小結
注釋和參考文獻
10.4設計項目
第11章路徑管理器
11.1位置點間的轉換
11.2Dubins路徑
11.2.1Dubins路徑定義
11.2.2路徑長度計算
11.2.3Dubins路徑追蹤算法
11.3本章小結
注釋和參考文獻
11.4設計項目
第12章路徑規劃
12.1點到點算法
12.1.1維諾圖
12.1.2快速探測隨機樹
12.2覆蓋算法
12.3本章小結
注釋與參考文獻
12.4設計項目
第13章基於視覺的導航
13.1框架、相機坐標系與投影幾何
13.1.1相機模型
13.2框架指向
13.3地理定位
13.3.1使用平地模型確定到目標的距離
13.3.2使用擴展卡爾曼濾波進行地球定位
13.4圖像平面內目標運動預估
13.4.1數字低通濾波器和差分
13.4.2旋轉導致的視運動
13.5碰撞時間
13.5.1由目標尺寸計算碰撞時間
13.5.2由平面地球模型計算碰撞時間
13.6精確著陸
13.7本章小結
注釋和參考文獻
13.8設計項目
附錄A術語和符號
術語
符號
附錄B四元數
B.1四元數的旋轉
B.2飛機的運動學和動力學方程
B.2.1用單位四元數姿態表征的12狀態-6自由度動力學模型
B.3歐拉角和四元數之間的轉換
附錄C動畫仿真
C.1利用Matlab進行圖形處理
C.2動畫舉例：倒立擺
C.3動畫舉例：線繪太空飛行器
C.4動畫舉例：使用頂點和面的太空飛行器
附錄D基於S-函式的Simulink建模
D.1舉例：二階微分方程
D.1.11級m檔案S－函式
D.1.2C檔案S－函式
附錄E機身參數
E.1Zagi飛翼
E.2無人機
附錄F在Simulink中修正和線性化
F.1使用Simulink中的trim命令
F.2trim的數值計算
F.2.1修正算法
F.2.2梯度下降法的數值實現
F.3利用Simulink的linmond命令生成狀態空間模型
13.5.1由目標尺寸計算碰撞時間
13.5.2由平面地球模型計算碰撞時間
13.6精確著陸
13.7本章小結
注釋和參考文獻
13.8設計項目
附錄A術語和符號
術語
符號
附錄B四元數
B.1四元數的旋轉
B.2飛機的運動學和動力學方程
B.2.1用單位四元數姿態表征的12狀態-6自由度動力學模型
B.3歐拉角和四元數之間的轉換
附錄C動畫仿真
C.1利用Matlab進行圖形處理
C.2動畫舉例：倒立擺
C.3動畫舉例：線繪太空飛行器
C.4動畫舉例：使用頂點和面的太空飛行器
附錄D基於S-函式的Simulink建模
D.1舉例：二階微分方程
D.1.11級m檔案S－函式
D.1.2C檔案S－函式
附錄E機身參數
E.1Zagi飛翼
E.2無人機
附錄F在Simulink中修正和線性化
F.1使用Simulink中的trim命令
F.2trim的數值計算
F.2.1修正算法
F.2.2梯度下降法的數值實現
F.3利用Simulink的linmond命令生成狀態空間模型
F.4狀態空間模型的數值計算
附錄G機率論要點
附錄H感測器參數
H.1速率陀螺
H.2加速度計
H.3壓力感測器
H.4數字羅盤/磁力計
H.5GPS
參考文獻"
附錄G機率論要點
附錄H感測器參數
H.1速率陀螺
H.2加速度計
H.3壓力感測器
H.4數字羅盤/磁力計
H.5GPS
參考文獻"
