首页 > 教育 > 本科研究生 > 航空航天类

多旋翼飞行器：从原理到实践

作译者：全权等

出版时间：2023-04 千字数：480 版次：01-01 页数：316

开本：16开装帧： I S B N ：9787121454158

换版：

纸质书定价：￥79.0

库存:有

分享到：

共有图书评论0条【查看评论摘要】

看了又看

{{data.bookName}}

￥{{data.price}}

内容简介

前言

上架建议

作者简介

编辑推荐

音视频专区

第 1 章 绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 基本概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.1.1 常见飞行器的分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 无人驾驶飞行器和航空模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 飞行原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.2 多旋翼操控原理和性能评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 操控原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.2.2 性能评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 瓶颈 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 多旋翼发展历史. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.3.1 第一阶段（1990 年以前）：休眠期 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 第二阶段（1990—2005 年）：复苏期. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.3.3 第三阶段（2005—2010 年）：发展期. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.3.4 第四阶段（2010—2013 年）：活跃期. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.3.5 第五阶段（2013—2016 年）：爆发期. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.3.6 第六阶段（2016—2017 年）：回调期. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
1.3.7 第七阶段（2018 年至今）：爬升期 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.8 评注 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 本书的目的和写作结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1 本书的目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.2 写作结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
思考题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
第 2 章 系统基本组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1 总体介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 机架 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 机身 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 脚架 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 涵道 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 动力系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 螺旋桨 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2 电机. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 电调 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 电源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 通信系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.1 通信频率规范. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
2.4.2 数传 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.3 图传 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.4 遥控器和接收机. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
2.4.5 天线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5 飞行控制系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.1 自驾仪 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.2 地面站 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.6 载荷系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.6.1 吊舱和云台 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.6.2 激光雷达 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.6.3 正摄摄影与倾斜摄影. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
思考题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
第 3 章 机架设计和参数测量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3.1 坐标系和欧拉角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3.1.1 坐标系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.2 欧拉角 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2 布局设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1 机架布局 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 气动布局 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3 结构设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.1 机架结构设计原则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.3.2 减振考虑 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4 重心和转动惯量测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.1 重心测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 转动惯量测量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
3.5 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.1 课堂实践：欧拉角实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5.2 课堂实践：转动惯量测试实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.3 课外实践：自驾仪与机架的减振 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
第 4 章 动力系统配置和设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
4.1 问题描述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2 动力系统建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.1 螺旋桨建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.2 电机建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.3 电调建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 电池建模 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3 性能估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 求解问题 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.3.2 求解问题 2
4.3.3 求解问题 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.4 求解问题 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.5 估算例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4 动力系统设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1 基本设计原则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
4.4.2 动力系统匹配选型细则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.3 设计目标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.4 步骤 . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4.5 使用网站反向设计多旋翼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.1 课堂实践：电池的充放电测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.2 课堂实践：电调校准. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
4.5.3 课堂实践：拉力和力矩测试实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5.4 课堂实践：动力系统的优化选型测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.5.5 课外实践：动力系统设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
4.6 附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.6.1 求解螺旋桨拉力系数和转矩系数的详细步骤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.6.2 求解电机等效电压和电流的详细步骤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
第 5 章 通信系统配置和测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1 无线电通信原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.1 电磁波 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1.2 通信系统的组成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1.3 频率与波长 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1.4 调制与解调 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2 遥控器和接收机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.1 遥控器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.2 接收机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.2.3 遥控器和接收机的频率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
5.2.4 遥控器和接收机的选购. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
5.2.5 遥控器和接收机的配置与测试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 数据传输 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3.1 数据传输基础 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.3.2 数据传输模块的选购. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
5.3.3 数据传输模块的配置和测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.4 图像传输 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4.1 图像传输基础 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4.2 图像传输设备的选购. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
5.4.3 图像传输设备配置和测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149
5.5 自组网传输 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.1 自组网技术概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.2 自组网通信协议 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.5.3 无人机机群组网拓扑结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
5.6 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.6.1 课堂实践：遥控器与接收机对频 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.6.2 课堂实践：遥控器设置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156
5.6.3 课堂实践：遥控器校准. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
5.6.4 课堂实践：数传设备的调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.6.5 课堂实践：数传设备的远距调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.6.6 课堂实践：图传设备的调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.6.7 课堂实践：图传设备的远距调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
第 6 章 自驾仪校准和姿态控制调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1 传感器原理和校准 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.1 总体介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.2 三轴加速度计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.1.3 三轴角速率陀螺仪 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.1.4 三轴磁力计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.1.5 气压计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.1.6 超声波测距仪 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.1.7 雷达 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.1.8 全球卫星导航系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.1.9 摄像机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.2 状态估计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.1 滤波原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.2 姿态估计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.2.3 位置估计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.3 姿态控制和调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3.1 动态系统的基本描述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
6.3.2 PID 原理和调试步骤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.3.3 飞行模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.4 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.1 课堂实践和加速度计校准. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
6.4.2 课堂实践：磁力计校准. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
6.4.3 课堂实践：滤波器参数调节. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.4.4 课堂实践：姿态控制 PID 调参. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
6.4.5 课外实践：GNSS 系统实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.4.6 课外实践：滤波器实验. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
6.4.7 课外实践：PID 调参实验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
第 7 章 组装和位置控制调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.1 多旋翼组装 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.1.1 组装前的注意事项 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.1.2 多旋翼组装流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.2 多旋翼调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.2.1 多旋翼调试总体步骤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
7.2.2 位置控制器调试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.3 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.3.1 课堂实践：多旋翼组装. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
7.3.2 课堂实践：多旋翼悬停调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.3.3 课外实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
第 8 章 操控和维护 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.1 法律法规 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.1.1 法律法规及其他规范性文件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.1.2 空域申请 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2 飞前准备 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.2.1 飞行环境评估 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.2.2 多旋翼系统硬件检查. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
8.2.3 多旋翼地面站监控信息检查. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.2.4 通信链路检查 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.3 遥控器飞行操控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.3.1 模拟遥控飞行训练 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.3.2 实际遥控飞行训练 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.4 地面站飞行操控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.4.1 多旋翼地面站界面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.4.2 飞行控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.4.3 全自主飞行流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.5 常见的故障及维修 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
8.6 本章实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.6.1 课堂实践：多旋翼遥控飞行模拟操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.6.2 课堂实践：地面站航线飞行软件仿真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.6.3 课外实践 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
第 9 章 展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1 多旋翼的新设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1.1 笼式多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9.1.2 折叠多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.1.3 全向多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.1.4 带机械臂多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.1.5 系留多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.1.6 固定翼—多旋翼复合式飞行器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.1.7 尾座式多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.1.8 升力翼多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
9.1.9 双旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.1.10 多栖多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.2 多旋翼的新应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.2.1 民用多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.2.2 军用多旋翼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
9.3 反无人机技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3.1 无人机探测技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3.2 无人机反制技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.3.3 反无人机装备 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.3.4 无人机网络安全 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
9.4 多旋翼的新发展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
9.4.1 安全性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
9.4.2 自主性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.4.3 集群性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.4.4 有序性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
9.4.5 多样性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
思考题. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
附录 A 课堂实践软硬件清单 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
附录 B 第 7 章自组装小飞机主要硬件清单 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

序

无人机是在飞机发明后不久的 1917 年由英国人发明的，首先在军事上得到应用，但限于技术，在 20 世纪 50 年代前一直充当靶机使用。经过 100 年的发展，无人机相关技术不断成熟，已经不是简单的无人飞行器，而是涉及多学科的空中智能飞行体。此外，无人机应用已经远远超出了军事领域。作为一种交通范式的变革，无人机能执行的任务
种类很多，在农林植保、广义遥感、城市管理、快递运输、灾难救援、娱乐飞行、新闻报道、影视拍摄等领域，无人机的应用越来越多，而多旋翼飞行器（无人机）是其中重要的一种。
多旋翼飞行器在目前阶段占据了民用无人机市场的很大份额，因此对多旋翼飞行器的需求很多。本书基本上覆盖了多旋翼飞行器的方方面面，兼具基础性和系统性，包含多旋翼无人机概念层面、系统层面和未来发展层面的总体认知，又包含对机架、动力系统、通信系统和自驾仪等细致介绍和实践，还有整机的组装、调试、飞行与维护。不仅如此，本书还提供了具有货架产品性质的教具清单和公开视频。这些工作大大地降低了初学者入门门槛，同时也帮助学习者迅速达到从事该领域工作的水平。
我本人与本书的大部分作者有过接触，他们都是奋战在无人机技术领域“前沿”的年轻人，很高兴能看到他们抽出时间将自己的知识和经验进行总结并向大众传播，培养相关领域的人才。无人机发展和应用还处在初级阶段，一方面，技术的发展还不能适应各种需求，仍存在很多技术挑战，微型化、集群化、智能化的进程还很漫长；另一方面，支撑无人机广泛应用的生态环境还没有建立，需求的深入研究、低空网络和空域开放、安全运维和管理、社会公众的认同等方面还要整体推进。尽管目前还有很多困难，但是我相信具有巨大潜力的无人机产业一定会蓬勃发展，未来的天空一定会更加繁忙，期待这本书能对推动无人机产业发展尽到绵薄之力。
樊邦奎
中国工程院院士

2022 年 2 月
前 言

随着材料、芯片及人工智能等技术的迅猛发展，智能化、信息化和自动化的时代已然到来。借助这股浪潮，无人机行业蓬勃发展，各式各样的无人机在军民领域得到广泛应用。载人电动垂直起降飞行器（electric Vertical TakeOff and Landing，eVTOL）更是比肩无人驾驶汽车，坐拥万亿元级的市场，有着颠覆未来出行方式的巨大潜力，这片广阔
的蓝海亟待更多力量前来探索。另外，航空航天领域也是非常适合开展科普与启蒙教育的主题之一，对蓝天、太空和飞翔的天然兴趣以及各种“科幻新奇”的高科技是吸引青少年探索与学习的直接动力。在此背景下，中小学生科技活动上越来越多地出现了各式各样的飞行器的身影，各大高校积极成立航空航天学院，职业院校纷纷开设无人机专业，
社会上考取飞行驾驶资格证的人数也在逐年增加。航空飞行器具备的复杂性、不稳定性、危险性等一系列特性，在无形中一步步提高
了航空行业的准入门槛。因此，如何降低门槛，让不同专业的人才和普通爱好者都能够进入该行业，是一件具有挑战性的事情。为此，北京航空航天大学可靠飞行控制研究组（rfly.buaa.edu.cn）在前期出版了《多旋翼飞行器设计与控制》《多旋翼飞行器设计与控制实践》《多旋翼无人机远程控制实践》三本书籍，收获广泛好评。然而，这些书籍都是服务于算法或软件开发人员，是否存在面向大一、大二或高职学生的多旋翼飞行器的书籍，让更多人在即便不具备算法设计和编程开发等技能储备时，也能够组装、调试、飞行以及维护飞行器？为此，本人也在市场上找寻相关书籍。然而，大部分书籍要么是侧重概述性的理论，要么是偏向组装操作实践，二者间似乎存在着一条阻碍联系与交流的沟壑”。因此，帮助读者将多旋翼飞行器的原理知识和实践技能融会贯通，培养能够根据工程需求“装飞机”、“调飞机”、“飞飞机”和“修飞机”的复合型技能人才，是我们撰写本书的驱动力。
本书的写作采用“总—分—总”结构，首先让读者对多旋翼系统建立宏观印象，再深入细节，最后回到整机的组装、调试、飞行以及维护等内容。第一个“总”是概念和系统层面认知的“总”，包括第 1 章的概念、操控原理和多旋翼的发展历史，以及第 2章的各子系统的基本参数和功能介绍。第 3 章到第 6 章是“分”的内容，依次对应第 2章的机架、动力系统、通信系统，以及指挥和控制系统。第 7 至 9 章是最后一个“总”。在介绍多旋翼及其子系统后，引入整机的组装、调试、飞行和维护等内容，并在第 9 章进行展望，以便读者在学习完本书基础性内容后，可以进入某一细分领域继续深耕。首先，本书在多旋翼飞行器理论讲解和实践操作方面尽量做到了有机融合。具体地，在理论方面，讲解了实践操作过程中所需的基本原理，使读者“知其所以然”；在实践方面，本书涵盖了二十多个课堂实践，并提供了细致的操作步骤及操作演示视频。其次，本书是一本基础性及系统性教材，可用于培养多旋翼系统工程师。我们致力于将该书打造该领域的“百科全书”，使其尽可能地覆盖初学者的知识盲点，做到了内容上由浅入深，结构上由零到整。第三，本书注重实践的安全性。在实践内容的安排上，充分考虑了读者（学生）人身安全，前 6 章的实践皆可在室内完成，多旋翼无须离地飞行。在此基础上，逐步开始总体组装与调试，进而开展实际飞行。这些安排与设置，在教学设计上保障了读者人身安全。不仅如此，法律法规内容的加入，提醒警示读者在飞行操控时注意空域安全及他人的人身安全。最后，本书包含大量的教学和实践视频用以辅助学习。通过以上内容的学习，读者可以深层次、多角度了解多旋翼系统，为未来进一步的算法学习及软件开发等奠定基础。
本书的撰写与以往不同，除了可靠飞行控制研究组，此次还邀请了北京航空航天大学无人系统研究院李大伟和杨炯老师，以及来自航天工程大学的单上求老师共同参与本书的撰写工作，时间持续近一年半，这三位老师丰富的实践经验为本书增光添彩。本人负责全书结构和提纲的设计以及全书的审阅统编，并且负责本书前 4 章内容撰写，单上求负责第 5 章，李大伟和杨炯负责第 6 章到第 8 章，可靠飞行控制研究组的王培负责第 9 章，同时协助完成第 5 章，可靠飞行控制研究组的崔根同学全程参与前 4 章的内容撰写以及全书文字汇总管理。以上作者也都参与了课程和实践视频的拍摄。除以上作者外，北京航空航天大学无人系统研究院的蓝宇、张晨珑和李展博同学全程参与第 6 章到第 8 章的撰写和修改以及实践视频拍摄，孙建华工程师参与了部分实践视频拍摄。这里向为本书付出心血汗水的老师同学们表示感谢! 我们还感谢以下所有专家学者，他们为本书提供了诸多宝贵的意见和建议，他们是（按姓氏笔画排序）：

.王川 天峋创新（北京）科技有限公司
.王天诚 灵翼飞航（天津）科技有限公司
.王君 北方天途航空技术发展（北京）有限公司
.车嘉兴 优联智控（北京）技术有限公司
.叶茂林 广东容祺智能科技有限公司
.邢志博 新疆荣耀九天科技有限公司
.吕殿斌 杭州反重力智能科技有限公司
.刘菲 中国民航管理干部学院
.许飞 陆军航空兵学院
.李少斌 拓攻（南京）机器人有限公司
.李光昱 南昌航空大学飞行器工程学院
.杨凌霄 山西通用航空职业技术学院
.杨雅君 战略支援部队航天工程大学
.沙飞 北航无人机公司
.张津铭 北京中科浩电科技有限公司
.陆艳辉 杭州迅蚁网络科技有限公司
.金洁 杭州若联科技有限公司
.曹亚亮 南京大鱼半导体有限公司
.曹林 浙江氢航科技有限公司
.章磊 杭州迅蚁网络科技有限公司
.薛骋豪 致导科技（北京）有限公司
最后，感谢赫星电子有限公司提供的多旋翼飞行器相关软硬件材料、灵翼飞航科技有限公司提供的动力测试相关软硬件材料，以及北方天途航空技术发展（北京）有限公司在飞行场地及空域报批服务上提供的帮助。
多旋翼飞行器是一个新事物，国内外很多标准和术语尚未统一。在这种情况下，我们深知写一本非常严谨而又丰富的书十分艰难，然而市场对该类书籍的需求又非常迫切。因此，如果您发现本书存在错误和纰漏，请联系本人邮箱（qq_buaa@buaa.edu.cn）。此外，我们也欢迎志同道合的朋友与我们联系，共同推动多旋翼行业向前发展。

全 权

于北京航空航天大学新主楼

2022 年 1 月 7 日

查看更多 > 图书评论

暂无评论

发表图书评论

评论标题：
评论内容：
验证码：: 看不清楚
点击刷新
: 您还没有登录，请登录后再评论。
点击“登录”

购买过本书的顾客还买过

{{data.bookName}}

￥{{data.price}}