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| 內容簡介： |
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飞行控制是无人机的核心技术之一，它融合了空气动力学、自动控制、传感器技术及嵌入式系统等诸多技术。《无人机飞行控制技术》以飞行控制技术为核心，按照建模、传感和控制三大模块组织，构建从基础理论到工程实践的知识框架，为读者揭示无人机飞行控制系统的内在逻辑与技术脉络。
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目录第1章 绪论 0011.1 无人机的分类与发展历史 0011.1.1 无人机的定义 0011.1.2 无人机的分类 0011.1.3 无人机的发展历史 0041.2 固定翼无人机的结构组成 0091.2.1 固定翼无人机的优势 0091.2.2 固定翼无人机的布局 0101.3 飞行控制基本概念 0141.3.1 飞行力学与飞行控制的关系 0141.3.2 飞行控制系统的组成 0151.3.3 无人机飞行控制的反馈回路 0161.3.4 无人机飞行控制分配 0171.3.5 飞行控制的发展历史 0171.4 无人机飞行控制技术应用及发展趋势 0211.4.1 无人机飞行控制技术的典型应用 0211.4.2 无人机飞行控制技术的发展趋势 0221.4.3 讨论:技术挑战与伦理争议 0231.5 本章小结 023习题 024第2章 无人机飞行动力学基础 0252.1 无人机运动分析 0252.1.1 无人机运动自由度 0262.1.2 常用坐标系及其转换 0262.1.3 无人机运动参数 0282.1.4 旋转矩阵 0292.2 空气动力学分析 0302.2.1 空气动力学基本概念 0302.2.2 低速空气动力学方程 0302.2.3 无人机气动参数 0322.2.4 升力产生的原因 0342.3 无人机力与力矩分析 0352.3.1 重力 0352.3.2 气动力和气动力矩 0362.3.3 发动机推力和力矩 0382.3.4 合力和合力矩 0392.4 本章小结 039习题 040第3章 无人机静稳定性 0413.1 纵向静稳定性 0413.1.1 纵向定直飞行的力平衡 0413.1.2 俯仰力矩与气动焦点 0423.1.3 无人机纵向静稳定性 0453.2 横侧向静稳定性 0453.2.1 侧滑运动分析 0453.2.2 横侧向静稳定性 0463.2.3 影响滚转静稳定性导数的因素 0473.2.4 影响航向稳定性导数的因素 0483.3 舵面铰链力矩 0493.4 定常飞行状态分析 0503.4.1 定常直线侧滑 0503.4.2 定常*线飞行 0523.5 本章小结 053习题 054第4章 无人机运动方程与稳定性分析 0554.1 无人机运动方程组 0554.1.1 动力学方程 0554.1.2 运动学方程 0594.1.3 运动方程解耦分组 0594.1.4 小扰动线性化动力学方程 0624.2 无人机纵向运动模态与稳定性分析 0644.2.1 纵向小扰动的典型运动模态 0644.2.2 无人机纵向稳定性影响因素分析 0684.3 无人机横侧向运动模态与稳定性分析 0704.3.1 横侧向小扰动方程 0704.3.2 横侧向扰动运动的典型模态分析 0714.4 本章小结 073习题 073第5章 传感器与执行器 0755.1 传感器 0755.1.1 空速计 0755.1.2 高度气压计 0765.1.3 陀螺仪 0775.1.4 加速度计 0785.1.5 磁罗盘 0805.1.6 卫星定位系统 0815.1.7 惯性导航系统 0825.2 状态估计 0835.2.1 频率滤波器 0845.2.2 卡尔曼滤波 0855.2.3 姿态估计 0865.3 执行器 0875.3.1 舵机 0875.3.2 动力系统 0905.4 本章小结 090习题 091第6章 典型控制回路 0926.1 典型飞行控制系统的组成 0926.2 舵回路 0936.3 阻尼器 0966.3.1 俯仰阻尼器 0966.3.2 滚转阻尼器 0976.3.3 偏航阻尼器 0986.4 增稳系统 0986.4.1 纵向增稳系统 0996.4.2 纵向阻尼增稳系统 1006.5 本章小结 102习题 102第7章 无人机姿态控制系统 1047.1 姿态控制的构成与总体设计 1047.2 纵向姿态控制 1057.3 横侧向姿态控制 1097.4 本章小结 113习题 113第8章 无人机导航控制系统 1158.1 导航控制系统介绍 1158.2 飞行高度保持与控制 1168.3 飞行速度保持与控制 1188.4 总能量控制 1208.5 路径跟踪控制方法 1228.5.1 路径表示方法 1238.5.2 三种过点形式 1248.5.3 侧偏距跟踪控制方法 1248.5.4 圆弧跟踪控制方法 1258.5.5 *线跟踪方法 1268.6 自主起降控制方法 1298.6.1 自主起飞控制方法 1298.6.2 自主降落控制方法 1308.7 本章小结 132习题 132第9章 现代飞行控制技术 1339.1 电传操纵系统 1339.1.1 电传操纵系统概述 1339.1.2 典型电传操纵系统 1349.1.3 余度技术 1359.2 主动控制技术 1379.2.1 概述 1379.2.2 放宽静稳定性 1389.2.3 直接力控制 1399.2.4 机动载荷控制 1409.2.5 阵风减缓 1429.3 本章小结 143习题 143附录A 参考答案 145附录B 主要参考文献 153
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第一章绪论 无人机作为20世纪以来航空技术的重要突破，其发展始终以飞行控制为核心支柱。本书以飞行控制技术为核心，构建无人机从“机械执行”到“智能决策”的理论根基。作为无人机系统的“神经中枢”，飞行控制贯穿动力调节、姿态稳定、轨迹规划等关键环节，是连接气动特性与任务使命的核心纽带。从早期机械传动的遥控装置到现代智能化的自主决策系统，飞行控制技术的每一次突破都深刻定义了无人机的功能边界与应用潜力。 本章作为全书开篇，将围绕飞行控制这一主题，系统阐述无人机的定义与分类，追溯其从**次世界大战遥控靶机到现代自主集群的百年跨越；剖析固定翼无人机的气动优势与控制原理，揭示飞行力学与算法设计的协同规律；并展望人工智能、集群协同等对未来控制架构的革新方向。通过历史逻辑与工程逻辑的双重视角，读者将理解飞行控制如何成为无人机突破时空边界、赋能多元场景的基石，为后续章节的飞行力学建模、控制算法实现奠定框架。 1.1无人机的分类与发展历史 1.1.1无人机的定义 无人机，即无人驾驶飞行器（unmanned aerial vehicle，UAV），是一种通过遥控或自主飞行，不需要飞行员在机上操作的飞行器。它可以通过地面控制站进行远程操控，或依据预设程序自主飞行。这一定义涵盖了各种类型的无人驾驶飞行器，还揭示了其核心特征：不需要人类飞行员直接参与飞行控制。 不需要人参与飞行控制的核心特征，不仅改变了飞行器的操作方式，还极大地扩展了其应用领域。无人机可以执行一些危险或不适合有人飞行器的任务，例如，在灾区进行空中侦察、在森林中进行灭火作业，或者在战场上进行侦察和打击任务。 1.1.2无人机的分类 无人机类型繁多，可以根据其结构、用途和操作方式等多种标准进行分类。这些分类不仅反映了无人机技术的快速发展，也展示了其在不同领域的广泛应用前景。以下是一些常见的分类方式。 1.按构型分类 按照机翼的构型不同，无人机通常可以分为固定翼无人机、旋翼无人机和扑翼无人机等，如图1.1所示。 （1）固定翼无人机。依赖固定机翼在飞行中产生升力，通常需要跑道进行起降，在操作上具有一定的灵活性。举例：以色列的“赫尔墨斯”（Hermes）系列无人机。 （2）旋翼无人机。使用一个或多个旋翼产生升力，能够垂直起降（vertical take?off and landing，VTOL），在空间受限的环境中具有显著优势。举例：美国的“捕食者”（Predator）和“死神”（Reaper）无人机。 （3）扑翼无人机。模仿鸟类的飞行方式，通过扑动翅膀来产生升力和推力。它们通常用于微小型无人机，以实现高机动性和低噪声操作。举例：美国的“蜂鸟”（Hummingbird）无人机。 除此之外，还有各种其他构型的无人机，如复合翼无人机、倾转旋翼无人机、环翼无人机、尾座式无人机等，如图1.2所示。 2.按控制方式分类 （1）遥控无人机。无人机由地面操作员通过无线电控制，它们依赖于操作员的技能和判断来执行任务。举例：大多数消费级无人机，如大疆（DJI）Phantom系列。 （2）自主无人机。无人机能够执行预设的任务，而不需要持续的地面控制。它们利用先进的传感器和人工智能来导航和执行任务。举例：美国的“全球鹰”（Global Hawk）无人机。 3.按用途分类 （1）军事无人机。专门设计用于军事应用，包括侦察、监视和打击任务。它们通常具备携带武器和高级通信系统的能力。举例：美国的“捕食者”（Predator）和“死神”（Reaper）无人机。 （2）民用无人机。用于非军事目的，如包裹递送、农业监测和搜索与救援任务。它们通常更小、更轻便，能够在人口密集的环境中安全操作。举例：亚马逊的Prime Air无人机。 （3）消费级无人机。为个人娱乐和摄影而设计。它们通常易于操作，价格适中。举例：大疆（DJI）Mavic系列。 4.按尺寸分类 不同国家和地区对无人机的分类标准存在细微差异，以中国民用航空局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）的《民用无人驾驶航空器运行安全管理规则》和《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》等为基础，可以将无人机为微型无人机、轻型无人机、小型无人机及大型无人机。 1）微型无人机：空机质量：≤0.25kg。 特点： （1）体型极小，便于手持或随身携带； （2）通常无须注册或申请空域即可飞行； （3）适用于娱乐、短距离拍摄等简单任务。 限制：飞行高度一般不超过50m，需避开人群和敏感区域。 典型：大疆（DJI）Mavic Mini 3。 2）轻型无人机：0.25kg<空机质量≤4kg。 特点： （1）需要实名登记，部分场景需报备飞行计划。 （2）适用于航拍、农业植保、短途物流等民用场景。 （3）通常配备摄像头、避障传感器等设备。 限制：飞行高度通常不超过120m，需遵守视距内操作（visual line of sight operations，VLOS）规则。 典型：大疆（DJI）Air 3。 3）小型无人机：4kg<空机质量≤25kg。 特点： （1）需注册并申请适航证件，操作者可能需要飞行执照。 （2）用途广泛，包括专业测绘、电力巡检、应急救援等。 （3）可搭载更复杂的载荷（如热成像仪、激光雷达）。 限制：需严格遵守空域管理规定，部分任务需提前审批。 典型：大疆（DJI）Matrice 350 RTK。 4）大型无人机：空机质量>25kg。 特点： （1）多为工业级或军用无人机，如“翼龙”“彩虹”系列。 （2）续航时间长，载荷能力强，可执行长距离侦察、货运、通信中继等任务。 （3）需经过严格适航认证，操作团队需专业资质。 限制：飞行需专项审批，通常在隔离空域或特定航线运行。 典型：翼龙2（Wing Loong Ⅱ）无人机、“全球鹰”（Global Hawk）无人机。 1.1.3无人机的发展历史 无人机始于20世纪初的军事探索，从**次世界大战时期笨拙的遥控飞行器到冷战时期的高空侦察机，其技术始终与战争需求交织。21世纪初，开源飞控与多旋翼技术的突破，推动无人机从战场走入民用领域，化身农业、物流、救援的“空中助手”。这一历程既是控制技术从机械到智能的蜕变，也是应用场景从单一杀伤到多元创造的跃迁。如今，无人机正重塑人类对天空的认知，在伦理与创新的碰撞中，续写着从“军事工具”到“空中革命”的进化史诗。 1.早期探索与实验阶段（20世纪10～40年代） 无人机的历史可以追溯到20世纪初。1917年，美国发明家埃尔默？斯佩里（Elmer Sperry）与皮特？休伊特（Peter Hewitt）合作开发了世界上**架无线电遥控飞行器——“斯佩里空中鱼雷”（Sperry aerial torpedo），如图1.3所示。这架无人机由木质框架和汽油发动机构成，设计初衷是作为无人轰炸机使用，是早期无人机的雏形。尽管试飞多次失败，但它为后续无人机研发奠定了基础。 20世纪30年代，无人机技术*次在军事领域实现规模化应用。1935年，英国研发了“德？哈维兰女王蜂”（De Havilland Queen bee）靶机，用于训练防空炮手。它由有人驾驶飞机改装而成，可通过无线电遥控或预设程序飞行。第二次世界大战期间，纳粹德国进一步推进无人机技术，开发了著名的V1巡航导弹（V1 flying bomb），被视为现代巡航导弹与无人机的先驱（图1.4）。V1是世界上*款大规模投入实战的喷气动力无人机，尽管其精度有限，但展示了无人武器的威慑力。 2.冷战时期的无人机革命（20世纪50～70年代） 冷战时期，无人机技术因军事需求迎来高速发展。20世纪50年代，美国瑞安航空（Ryan Aeronautical）公司开发了“火蜂”（Firebee）系列靶机，后升级为侦察无人机。越南战争期间，“火蜂”被用于执行高危侦察任务，例如，对防空系统进行拍摄。这些无人机通过火箭助推起飞，完成任务后由直升机在半空回收，显著减少了飞行员伤亡风险。 1962年，美国中央情报局（Central Intelligence Agency，CIA）启动了代号“标签板”（tagboard）的秘密项目，开发了D21高空高速侦察无人机（图1.5）。D21由洛克希德？马丁空间系统公司设计，搭载在SR71“黑鸟”侦察机上发射，*高速度可达Ma 3.3，用于深入苏联和中国领空执行侦察。尽管因技术故障而多次失败，但D21的设计理念（如隐身外形与高速突防）影响了后续军用无人机的发展。 20世纪70年代，以色列在无人机领域异军突起。1973年，在第四次中东战争中，以色列使用“侦察兵”（Scout）无人机成功干扰埃及防空系统，为有人战机开辟了安全走廊。这一战例证明了无人机在电子战中的价值，促使全球军方重新评估无人机的战术地位。 3.技术突破与多样化应用（20世纪80～90年代） 20世纪80年代，无人机技术迎来多项关键突破。1982年，以色列在贝卡谷地空战中*次大规模使用无人机协同作战。以军派出“先锋”（Pioneer）无人机诱骗叙利亚雷达开机，随后通过电子战设备定位并摧毁敌方防空导弹阵地。这场战役中，无人机与有人机的协同战术彻底改变了现代空战模式。 与此同时，民用无人机的探索悄然起步。1987年，日本雅马哈（Yamaha）公司推出了全球*款商用农业无人机R50，用于稻田农药喷洒（图1.6）。R50采用燃油动力，载重20kg，尽管操作复杂且价格昂贵，但它开创了无人机在农业领域的应用先河。 4.消费级无人机的崛起（2000～2010年） 21世纪初，无人机技术迎来了一个重要的转折点：从军用和科研领域逐步走向民用市场。这一转变的核心驱动力是开源飞控技术和多旋翼飞行器的突破。2007年，开源飞控平台ArduPilot的发布，标志着无人机技术开始走向平民化。ArduPilot不仅降低了开发门槛，还吸引了全球开发者社区的参与，推动了无人机技术的快速迭代。
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