無人駕駛旋翼飛行器系統

《無人駕駛旋翼飛行器系統》是2012年清華大學出版社出版的一部圖書，ISBN：9787302293880，定價35.00元。

內容介紹

小型旋翼飛行器，如航模直升機，其飛行動力學特性與同類大型飛行器相似，但卻擁有其自身獨有的特性，如裝配穩定桿、旋翼剛性大和內嵌偏航角速率反饋控制等。除此之外，有限的載荷量也增加了從小型旋翼飛行器升級成全功能無人飛行器的難度。根據其各種特性與限制，我們需要精心設計一套重量輕且有效的機載系統，配備相應的機載與地面站軟體，以滿足系統辨識和自動飛行的需求。

主要研究

《無人駕駛旋翼飛行器系統》將詳細討論這些問題。本專著還突出強調了基於視覺的地面目標跟蹤、協同控制和多機編隊飛行等技術的研究。

目錄

中英文術語對照表

英文縮略語英文全稱中文全稱

A/DAnalogtoDigital模/數轉換

AHRSAttitudeandHeadingReferenceSystem航姿參考系統

AoAAngleofAttack攻角

CAMCAMerasoftwaremodule攝像機軟體模組

CAMSHIFTContinuouslyAdaptiveMeanSHIFT連續自適應均值漂移

CCDChargeCoupledDevice電荷耦合器件

CEPCircularErrorProbable圓機率誤差

CFCompactFlash緊湊型快閃記憶體

CGCenterofGravity重心

CIFERComprehensiveIdentificationfromFrEquencyResponses頻域綜合辨識軟體

CMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor互補對稱金屬氧化物半導體

CMMCoMMunicationsoftwaremodule通信軟體模組

CORBACommonObjectRequestBrokerArchitecture通用對象需求代理結構

CPUCentralProcessingUnit中央處理單元

CTLConTroLsoftwaremodule控制軟體模組

D/ADigitaltoAnalog數/模轉換

DAQDataAcQuisition數據採集軟體模組

DARPADefenseAdvancedResearchProjectsAgency美國國防部高級研究計畫局

DCDirectCurrent直流

DGPSDifferentialGlobalPositioningSystem差分全球定位系統

DLGDataLoGgingsoftwaremodule數據記錄軟體模組

DoFDegreeofFreedom自由度

DSPDigitalSignalProcessing數位訊號處理

ECEFEarthCenteredEarthFixed地心固定坐標系統

EKFExtendedKalmanFilter擴展卡爾曼濾波器

EMIElectroMagneticInterference電磁干擾

FPSFramesPerSecond幀/秒

GCSGroundControlStation地面控制站

GPSGlobalPositioningSystem全球定位系統

GUIGraphicalUserInterface圖形用戶界面

HITLHardwareInTheLoopsimulation硬體在迴路仿真

HSVHue,Saturation,Valuecolorspace色調/飽和度/灰度色彩空間

續表

英文縮略語英文全稱中文全稱

IMGIMaGesoftwaremodule圖像處理軟體模組

IMUInertialMeasurementUnit慣性測量單元

INSInertialNavigationSystem慣性導航系統

I/OInput/Outputport輸入/輸出連線埠

JPEGJointPhotographicExpertsGroup聯合圖像專家組

LiPoLithiumPolymerbattery鋰聚合物電池

LMMLightweightMultiroleMissile輕量級多用途飛彈

LQRLinearQuadraticRegulator線性二次型調節器

MAVMicroAerialVehicle微型飛行器

MEMSMicroElectronicMechanicalSystem微機電系統

MFCMicrosoftFoundationClass微軟基礎類

MIMOMultiInput/MultiOutput多入多出

MTEMissionTaskElement任務基元

NANotApplicable不可用

NAVNAVigationsoftwaremodule導航軟體模組

NEDNorthEastDowncoordinatesystem北東地坐標系統

NiCdNickelCadmiumbattery鎳鉻電池

NiMhNickelMetalhydridebattery鎳氫電池

NUSNationalUniversityofSingapore新加坡國立大學

OCPOpenControlPlatform開放式控制平台

OpenGLOpenGraphicalLibrary開放圖形庫

PCIPeripheralComponentInterconnect外圍器件接口

PCMPulseCodeModulation脈衝編碼調製

PDProportionalDerivative比例微分

PIDProportionalIntegralDerivative比例積分微分

PPMPulsePositionModulation脈衝位置調製

RCRadioControlled無線電操控的

RFIRadioFrequencyInterference射頻干擾

RGBRed,Green,Bluecolorspace紅/綠/藍色彩空間

RPMRevolutionsPerMinute轉/分

RPTRobustandPerfectTracking魯棒與完全跟蹤

RTKRealTimeKinematic實時運動

RTOSRealTimeOperatingSystem實時作業系統

SAVSAVesoftwaremodule存儲軟體模組

SBCSingleBoardComputer單板計算機

SISOSingleInput/SingleOutput單入單出

SVOSerVOsoftwaremodule伺服軟體模組

TPPTipPathPlane槳尖軌跡平面

UAVUnmannedAerialVehicle無人飛行器

UKFUnscentedKalmanFilter無跡卡爾曼濾波器

VDEVirtualDesignEnvironment虛擬設計環境

WGSWorldGeodeticSystem世界地理系統

符號表

以下列出的是所有與旋翼飛行器飛行動力學建模有關的關鍵參數符號，同時給出相應的物理描述和單位（如果有）。

Abs從bs到as的耦合係數（s-1）

Alon從δlon到θcyc,as的連桿增益（rad）

as主旋翼槳葉一階縱向揮舞角（rad）

Bas從as到bs的耦合係數（s-1）

Blat從δlat到θcyc,bs的連桿增益（rad）

bmr主旋翼槳葉數目

bs主旋翼槳葉一階橫向揮舞角（rad）

btr尾槳槳葉數目

CD0主旋翼槳葉阻力係數

Clon從δlon到穩定桿縱向槳距角的連桿增益（rad）

Clα,hf水平鰭尾的升力曲線斜率（rad-1）

Clα,mr主旋翼槳葉的升力曲線斜率（rad-1）

Clα,sb穩定桿槳片的升力曲線斜率（rad-1）

Clα,tr尾槳槳葉的升力曲線斜率（rad-1）

Clα,vf垂直鰭尾的升力曲線斜率（rad-1）

cmr主旋翼槳葉弦長（m）

cs穩定桿一階縱向揮舞角（rad）

csb穩定桿槳片弦長（m）

ctr尾槳槳葉弦長（m）

Dhf水平鰭尾在重心後方的位置（m）

Dlat從δlat到穩定桿橫向槳距角的連桿增益（rad）

Dtr尾槳槳轂在重心後方的位置（m）

Dvf垂直鰭尾在重心後方的位置（m）

ds穩定桿一階橫向揮舞角（rad）

emr主旋翼槳葉鉸鏈有效偏置（m）

Fb機體軸系描述的氣動力合力矢量（N）

Fb,g機體軸系描述的重力矢量（N）

Hmr主旋翼槳轂在重心上方的位置（m）

Htr尾槳槳轂在重心上方的位置（m）

Hvf垂直鰭尾在重心上方的位置（m）

g本地重力加速度（m/s2）

J機體轉動慣量矩陣，對角陣，主對角線元素Jxx，Jyy，Jzz（kg·m2）

KI偏航角速率反饋控制器的積分增益

KP偏航角速率反饋控制器的比例增益

Ka偏航角速率反饋控制器的前向增益

Kcol從總距舵機偏轉角到主旋翼槳葉總距角的增益

Kped從尾槳舵機偏轉角到尾槳槳葉總距角的增益

Ksb從穩定桿揮舞角到主旋翼槳葉周期變距角的增益

Kβ主旋翼揮舞運動彈簧常數（N·m）

Lmr，Mmr，Nmr主旋翼產生的氣動力矩在機體軸系X、Y、Z軸上的分量（N·m）

Lvf，Nvf垂直鰭尾產生的氣動力矩在機體軸系X、Z軸上的分量（N·m）

Ltr，Ntr尾槳產生的氣動力矩在機體軸系X、Z軸上的分量（N·m）

Mb機體軸系描述的氣動力矩合力矩矢量（N·m）

Mhf水平鰭尾產生的氣動力矩在機體軸系Y軸上的分量（N·m）

m無人飛行器總質量（kg）

ntr尾槳對主旋翼的變速比

p，q，r機體軸系描述的角速率（rad/s）

Pc主旋翼爬升功率（W）

Pi主旋翼誘導功率（W）

Pn本地NED軸系描述的位置矢量，組成元素xn，yn，zn（m）

Ppa主旋翼寄生功率（W）

Ppr主旋翼型阻功率（W）

Rn/b從機體軸繫到NED軸系的旋轉矩陣

Re雷諾數

Rmr主旋翼槳盤半徑（m）

Rsb,in穩定桿槳盤內徑（m）

Rsb,out穩定桿槳盤外徑（m）

Rtr尾槳槳盤半徑（m）

S從歐拉角導數到機體軸角速率的變換矩陣

Sfx機身縱向有效阻力面積（m2）

Sfy機身橫向有效阻力面積（m2）

Sfz機身垂向有效阻力面積（m2）

Shf水平鰭尾有效面積（m2）

Svf垂直鰭尾有效面積（m2）

Tmr主旋翼拉力（N）

Ttr尾槳拉力（N）

Va機體軸系描述的空速矢量，各分量為ua，va，wa（m/s）

Vb機體軸系描述的地速矢量，各分量為u，v，w（m/s）

VnNED軸系描述的地速矢量，各分量為un，vn，wn（m/s）

Vwind機體軸系描述的風速矢量，各分量為uwind，vwind，wwind（m/s）

vi,mr主旋翼誘導速度（m/s）

vi,tr尾槳誘導速度（m/s）

vvf垂直鰭尾的本地橫向空速（m/s）

v^2mr主旋翼拉力計算的中間變數

v^2tr尾槳拉力計算的中間變數

ωhf水平鰭尾的本地垂向空速（m/s）

x，y，z本地NED軸系位置坐標（m）

xn，yn，zn本地NED軸系位置坐標（m）

Xmr，Ymr，Zmr主旋翼產生的氣動力在機體軸系X、Y、Z軸上的分量（N）

Xfus，Yfus，Zfus機身產生的氣動力在機體軸系X、Y、Z軸上的分量（N）

Ytr尾槳產生的氣動力在機體軸系Y軸上的分量（N）

Yvf垂直鰭尾產生的氣動力在機體軸系Y軸上的分量（N）

Zhf水平鰭尾產生的氣動力在機體軸系Z軸上的分量（N）

αst失速臨界攻角（rad）

γmr主旋翼洛克數

γsb穩定桿洛克數

δcol標準化總距舵機輸入[-1,1]

δlat標準化橫滾舵機輸入[-1,1]

δlon標準化俯仰舵機輸入[-1,1]

δped標準化偏航角速率反饋控制器輸入[-1,1]

δped,int偏航角速率反饋控制器的內部狀態變數

δ-ped

尾槳舵機輸入（rad）

θcol主旋翼總距角（rad）

θcyc,as主旋翼縱向槳距角（rad）

θcyc,bs主旋翼橫向槳距角（rad）

θped尾槳總距角（rad）

λvf垂直鰭尾處於尾槳尾跡流標誌

ρ空氣密度（kg/m3）

τmr主旋翼裸槳時間常數（s）

τsb穩定桿時間常數（s）

,θ,ψ歐拉角（rad）

Ωmr主旋翼轉速（rad/s）

Ωtr尾槳轉速（rad/s）

ωbb/n機體軸系描述的角速度矢量，各分量為p，q，r（rad/s）

目錄

第1章緒論

1.1引言

1.2小型旋翼飛行器簡史

1.3基本組成

1.3.1無線電操控旋翼飛行器

1.3.2航空電子系統

1.3.3手動操作備份

1.3.4地面控制站

1.4軟體系統設計與集成

1.4.1實時機載軟體系統

1.4.2地面站軟體系統

1.5飛行動力學建模

1.5.1基理建模方法

1.5.2系統與參數辨識

1.6飛行控制系統

1.7套用舉例

1.8各章總覽

第2章坐標系統與變換

2.1引言

2.2坐標系統

2.2.1大地坐標系統

2.2.2地心固定坐標系統

2.2.3本地NED坐標系統

2.2.4機載NED坐標系統

2.2.5機體軸坐標系統

2.3坐標轉換

2.3.1基本知識

2.3.2坐標變換

第3章平台設計與構建

3.1引言

3.2虛擬設計環境的選擇

3.3部件的選擇

3.3.1無線電操控直升機

3.3.2飛行控制計算機

3.3.3導航感測器

3.3.4外圍感測器

3.3.5失效保護舵機控制器

3.3.6無線數據機

3.3.7電池

3.3.8視覺信息處理計算機

3.3.9視覺感測器

3.3.10圖像採集卡

3.3.11雲台伺服機構

3.3.12視頻發射與接收

3.3.13手動控制

3.3.14地面控制站

3.4航電系統設計與集成

3.4.1布局設計

3.4.2減振設計

3.4.3供電設計

3.4.4禁止設計

3.5性能評估

第4章軟體系統設計與集成

4.1引言

4.2機載軟體系統

4.2.1結構設計

4.2.2任務管理

4.2.3自動控制實現

4.2.4應急處理

4.2.5視覺處理軟體

4.3地面站軟體系統

4.3.1地面站軟體層次結構

4.3.2三維視圖開發

4.4軟體系統評估

第5章測量信號增強

5.1引言

5.2擴展卡爾曼濾波器

5.3GPS 輔助INS動態模型

5.3.1航姿參考系統動態模型

5.3.2INS（或慣導系統動態模型）

5.4擴展卡爾曼濾波器設計

5.4.1基於加速度計的航姿參考系統擴展卡爾曼濾波器

5.4.2基於磁力計的航姿參考系統擴展卡爾曼濾波器

5.4.3GPS/INS導航系統的擴展卡爾曼濾波器

5.5性能評估

第6章飛行動力學建模

6.1引言

6.2模型結構

6.2.1機體運動學特性

6.2.2機體動力學特性

6.2.3主旋翼揮舞動力學特性

6.2.4偏航角速率反饋控制器

6.3參數確定

6.3.1直接測量

6.3.2地面實驗

6.3.3基於風洞數據估計參數

6.3.4飛行實驗

6.3.5精細調整

6.4模型驗證

6.5飛行包線確認

第7章內環飛行控制

7.1引言

7.2H∞控制技術

7.3內環控制系統設計

7.3.1模型線性化

7.3.2問題的描述

7.3.3設計指標的選擇

7.3.4H∞控制律

7.4性能評估

第8章外環飛行控制

8.1引言

8.2魯棒與完全跟蹤控制

8.3外環控制系統設計

8.4性能評估

第9章飛行仿真與實驗

9.1引言

9.2飛行規劃

9.2.1前飛起/停

9.2.2懸停

9.2.3後飛起/停

9.2.4懸停旋轉

9.2.5垂向機動

9.2.6側向重定位

9.2.7旋轉定標

9.2.8滑雪

9.2.9向心迴轉

9.2.10任務基元的銜接

9.3硬體在迴路仿真設定

9.4仿真與飛行實驗結果

第10章多無人機編隊飛行

10.1引言

10.2長機僚機編隊

10.2.1編隊飛行坐標系統

10.2.2運動學模型

10.3碰撞迴避

10.4飛行實驗結果

第11章基於視覺的目標跟蹤

11.1引言

11.2視覺跟蹤中的坐標系統

11.3攝像機標定

11.3.1攝像機模型

11.3.2內參數估計

11.3.3畸變補償

11.3.4簡化的攝像機模型

11.4基於視覺的地面目標跟蹤

11.4.1目標檢測

11.4.2圖像跟蹤

11.4.3目標跟蹤控制

11.5實驗結果

參考文獻