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第1章 绪论 1

1.1什么是无人机和微型无人机？ 2

1.2无人机和微型无人机：定义、历史、分类和应用 7

1.2.1定义 7

1.2.2无人机历史发展概述 7

1.2.3无人机的分类 10

1.2.4应用 13

1.3近年来日本自主无人机在民用领域的研究和发展 14

1.4民用自主无人机控制与操作系统的主题和前景 18

1.5自主无人机与微型无人机的未来研究和发展 21

参考文献 23

第一部分 小型和微型旋翼无人机的建模与控制 25

第2章 小型和微型无人直升机的基础建模与控制 25

2.1引言 25

2.2小型和微型直升机的基本建模 26

2.2.1小型和微型无人直升机 26

2.2.2单旋翼直升机的建模 28

2.2.3共轴旋翼直升机的建模 33

2.3小型无人直升机的控制系统设计 37

2.3.1最优控制 37

2.3.2最优预先控制 39

2.4试验 40

2.4.1单旋翼直升机的试验装置 40

2.4.2共轴旋翼直升机的试验装置 42

2.4.3静态飞行控制 43

2.4.4轨迹跟踪控制 44

2.5小结 46

参考文献 46

第3章 使用LQG控制器的微型四旋翼无人机的自主控制 48

3.1引言 48

3.2试验平台介绍 49

3.3试验装置 51

3.3.1嵌入式控制系统 51

3.3.2地面控制站 53

3.4建模和控制器的设计 54

3.4.1建模 55

3.4.2控制器的设计 56

3.5试验及试验结果 58

3.6小结 59

参考文献 60

第4章 自主四倾斜翼无人机的研发：设计、建模和控制 61

4.1引言 61

4.2四倾斜翼无人机 62

4.3四倾斜翼无人机的建模 63

4.3.1坐标系 63

4.3.2偏航模型 64

4.3.3滚转和俯仰姿态模型 66

4.4姿态控制系统设计 69

4.4.1偏航动力学的控制系统设计 69

4.4.2滚转和俯仰动力学控制系统设计 70

4.5试验 71

4.5.1航向控制试验 71

4.5.2滚转和俯仰姿态控制试验 71

4.6过渡状态下的控制性能验证 72

4.7小结 73

参考文献 73

第5章 用于递阶控制设计的直升机模型的线性化与辨识 75

5.1引言 75

5.2建模 76

5.2.1联动装置 78

5.2.2主旋翼和稳定杆的动力学 80

5.2.3机身运动的动力学 89

5.2.4小型直升机建模 90

5.2.5参数辨识与验证 91

5.3控制器设计 95

5.3.1控制系统的结构 95

5.3.2姿态控制器设计 95

5.3.3平飞运动控制系统 96

5.4试验 97

5.4.1航空电子设备结构 97

5.4.2姿态控制 99

5.4.3悬停和平飞控制 100

5.5小结 102

参考文献 103

第二部分 旋翼无人机和微型无人机的先进飞行控制系统 105

第6章 小型直升机自转机动飞行分析及其在紧急迫降中的应用 105

6.1引言 106

6.2自转 106

6.2.1桨叶微元上的气动力 106

6.2.2自转时的空气动力学 106

6.3基于叶素理论的非线性自转模型 107

6.3.1拉力 108

6.3.2扭矩 108

6.3.3诱导速度 109

6.4自转模型的校验 110

6.4.1试验数据 110

6.4.2自转模型的验证 111

6.4.3诱导速度估算方法的改进 112

6.4.4诱导速度估算方法的有效性 113

6.4.5仿真 114

6.5试验 115

6.5.1自转着陆控制 115

6.5.2垂直速度控制 116

6.6线性化 116

6.6.1离散状态空间模型 116

6.6.2基于神经网络的参数确定 117

6.6.3仿真 118

6.7总结 118

参考文献 119

第7章 基于前馈序列控制的小型无人直升机自主特技飞行 120

7.1引言 120

7.2硬件设置 121

7.3手动飞行辨识 121

7.4轨迹设置及仿真 123

7.5执行原理和试验 124

7.6飞行高度与速度 125

7.7小结 127

参考文献 127

第8章 垂直起降无人机的数学建模和非线性控制 128

8.1引言 128

8.2小型及微型垂直起降无人机的动力学模型 130

8.2.1刚体动力学 130

8.2.2气动力和扭矩 132

8.3非线性多级飞行控制器：设计和稳定 134

8.3.1飞行控制器设计 134

8.3.2全闭环系统的稳定性分析 137

8.4无人机系统集成：航空电子设备及实时软件 139

8.4.1航空器描述 140

8.4.2导航传感器及实时架构 140

8.4.3制导、导航和控制系统及其实时实现 142

8.5飞行测试和试验结果 144

8.5.1姿态轨迹跟踪 144

8.5.2自动起飞、悬停和降落 145

8.5.3长距离飞行 146

8.5.4全自主航点导航 147

8.5.5任意路径跟踪 149

8.6小结 151

附录 152

参考文献 154

第9章 应用预测控制的多架小型自主直升机的编队飞行控制 156

9.1引言 156

9.2控制系统配置 157

9.3长机—僚机路径规划器设计 157

9.4基于模型预测控制的制导控制器设计 158

9.4.1速度控制系统 158

9.4.2坐标模型 160

9.4.3模型预测控制器设计 161

9.4.4观测器设计 164

9.5仿真和试验 165

9.5.1仿真 166

9.5.2试验 166

9.5.3约束和防止空中相撞 169

9.5.4抗干扰的鲁棒性 171

9.6小结 171

参考文献 171

第三部分 短程无人机的制导与导航 173

第10章 小型飞行器的制导与导航系统 173

10.1引言 173

10.2微型旋翼无人机的嵌入式制导系统 175

10.2.1任务定义和路径规划 176

10.2.2飞行模式管理 176

10.2.3安全程序和飞行终止系统 177

10.2.4参考轨迹的实时生成 178

10.3航空飞行器的传统导航系统 179

10.3.1姿态和航向参考系统 179

10.3.2坐标和速度估算 180

10.3.3运用压力传感器和惯性导航系统的高度估算 181

10.4 GPS失效情况下的视觉导航系统 181

10.4.1视觉流飞行控制 182

10.4.2特征跟踪的视觉驱动里程仪 187

10.4.3目标跟踪的色觉系统 188

10.4.4用于微型无人机精确定位和着陆的基于立体视觉的系统 193

10.5小结 198

参考文献 198

第11章 低成本姿态四元传感器的设计与应用 200

11.1引言 200

11.2坐标系和四元数 201

11.2.1坐标系定义 201

11.2.2四元数 201

11.3姿态和航向估算算法 204

11.3.1过程模型构造 204

11.3.2扩展卡尔曼滤波算法 206

11.3.3实际应用 207

11.4应用与评价 208

11.5小结 211

参考文献 211

第12章 微型无人机基于视觉的导航和视觉伺服系统 213

12.1引言 214

12.1.1空中视觉导航的相关工作 214

12.1.2基于视觉的自动驾驶仪的介绍 216

12.2用于飞行路径积分的空中视觉里程仪 217

12.2.1特征选择和跟踪 217

12.2.2图像坐标系中飞行器伪运动的估算 218

12.2.3旋转效应补偿 220

12.3用于距离判定和无人机运动复原的自适应观测器 220

12.3.1自适应视觉观测器的数学公式 221

12.3.2递归最小二乘法通则 222

12.3.3 RLS算法在范围（高度）估算中的应用 222

12.3.4视觉估值、惯性和压力传感器数据的融合 224

12.4非线性3D飞行控制器：设计和稳定性 225

12.4.1旋翼机动力学建模 225

12.4.2飞行控制器设计 225

12.4.3闭环系统的稳定性和鲁棒性 227

12.5无人机平台和软件实现 230

12.5.1无人机平台介绍 230

12.5.2实时软件的运行 232

12.6基于视觉飞行的试验结果 234

12.6.1旋转效应补偿和高度估算的静态测试 235

12.6.2自主起飞和着陆情况下的室外自主悬停 235

12.6.3任意目标下的自主起飞、精确悬停和精准自动降落 237

12.6.4自动起飞和着陆情况下的地面移动目标跟踪 238

12.6.5使用视觉的基于速度控制的轨迹跟踪 241

12.6.6采用视觉估算的基于坐标控制的轨迹跟踪 243

12.6.7基于GPS的航点导航和与视觉里程仪估算的比较 243

12.6.8讨论 246

12.7小结 247

参考文献 247

第13章 使用红外和超声波传感器的室内自主飞行与精准自主着陆 250

13.1引言 250

13.2系统组成 251

13.2.1试验平台介绍 251

13.2.2移动式测距系统 252

13.2.3微型无人机操作系统 253

13.3坐标测量原理 254

13.3.1基本原理 254

13.3.2坐标系定义 255

13.3.3边缘检测 255

13.3.4坐标计算 257

13.4建模与控制器设计 258

13.4.1控制系统组成 258

13.4.2建模 259

13.4.3参数辨识 260

13.4.4控制器 260

13.5试验 261

13.5.1自主悬停试验 262

13.5.2自主着陆试验 262

13.6小结 265

参考文献 266

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