第10部分 無人機繫統建模、仿真、估計與辨識
第48章 無人機繫統建模、仿真、估計與辨識：簡介
第49章 共軸式無人直升機飛行動力學建模
摘要
49．1 引言
49．2 共軸式直升機的工作原理
49．3 模型生成
49．3．1 模型綜述
49．3．2 運動學及剛體動力學
49．3．3 作用力和力矩的組成
49．3．4 固定槳距共軸式直升機作用力和力矩公式
49．3．5 可變槳距共軸式直升機作用力和力矩公式
49．4 基於模型的參數辨識
49．4．1 直接測量
49．4．2 試驗臺試驗
49．4．3 飛行試驗
49．5 模型驗證
49．6 結論
參考文獻
第50章 掛載有效載荷的微型無人機建模
摘要
50．1 引言
50．2 掛載有效載荷的四旋翼無人機的建模
50．2．1 四旋翼無人機動力學模型
50．2．2 外部懸掛有效載荷建模
50．3 仿真
50．3．1 搭載有效載荷的無人機穩定性分析
50．3．2 有效載荷位置的估算
50．4 結論
50．5 符號說明
參考文獻
第51章 無人機指揮與控制
摘要
51．1 引言
51．2 自主式UAV
51．2．1 自主式繫統
51．2．2 C2的基本原理
51．2．3 有組織的持久情報、監視和偵察繫統
51．3 結論
參考文獻

第11部分 微型無人機和仿生無人機
第52章 微型無人機和仿生無人機：簡介
第53章 微型無人機
摘要
53．1 引言
53．2 歷程
53．3 能源壁壘
53．4 仿生
53．5 任務效能和有效載荷
53．6 人機交互
53．7 結論
參考文獻
……
第12部分 無人機任務和路徑規劃
第13部分 無人機自主性

    無人機飛臺是動力驅動、機上無人駕駛且可重復使用的飛行器。無人機繫括無人機飛臺、載荷、信息傳輸鏈路和地面控制及信息處理終端等，它能通過作員自主或智能控制，完成各種任務。無人機時代即將到來，它將成為網絡環境下數據驅動的空中移動智能體，後信息時代無人機技術將呈現信息傳輸網絡化、運維空間數字化、飛臺智能化的發展趨勢，無人機產業將催生“無人機+”的新興生產模式，改變服務業態與生活方式，並在農林植保、物流交通、遙感探測、公共服務、娛樂消費、軍事轉型等領域發揮重要作用。無人機已人們的日常生活，對未來社會經濟發展和軍事作戰方式演變將產生深刻的影響。

    為適應無人機技術和產業的快速發展，推動學術交流，在過去的20多年裡．國內外無人機行業的同仁們已編著了許多無人機書籍，涵蓋無人機領域的設計、制造和應用等多方面內容。200pan>年，本書的翻譯團隊曾編著了《國外無人機大全》一書，作為國內無人機行業的第一部工具書，全面介紹了國外無人機裝備的發展現狀，對推動國內無人機技術發展和普及無人機知識起到了積極作用。時20年，該團隊又組織翻譯了由施普林格出版社出版的《無人機手冊》(Handbook礦Unmanned一~erial Vehit：‰)，該書作者是來自全學術界、產業界和政府部門的知名專家，內容涵蓋5大方面22個部分共計126章，涉及無人機設計原則，無人機基本原理，無人機傳感器和傳感策略，無人機繫統，無人機控制，無人機通信，無人機體繫架構，無人機健康管理，無人機繫統建模、仿真、估計與辨識，微型無人機和仿真無人機，無人機任務和路徑規劃，無人機自主性，無人機感知、探測與規避，無人機組網和無人機集群，無人機融入國家空域，無人機人機接口與決策支持繫統，人機工程與訓練，無人機後勤保障，無人機應用以及社會與倫理等方面，彙集了國際無人機行業的科研成果和多視角的研究內容，是一部難得的工具類專著和無人機的百科全書。

    本書由北京市信息技術研究所牽頭，聯合國內無人機業界優勢團隊共同翻譯，經過四年多的不懈努力，終於付梓。在翻譯過程中得到了北京航空航天大學無人繫統研究院、南京航空航天大學無人機研究院、西北工業大學第三六五研究所、中國航天科技集團有限公司第九研究院無人機繫統工程研究所、中國航天空氣動力技術研究院、中國電子科技集團第五十四研究所、長春光學精密機械與物理研究所、電子學研究所、北京理工大學等單位的大力支持。本書獲得了國家出版基金的大力資助。從本書的版權購買，到國家出版基金的申請、編輯校對、出版發行都得到了國防工業出版社的大力支持，得到了崔曉莉女士的悉心指導。在此一並致謝。

    本書可作為無人機專業領域的科學工作者、工程師和技術人員的工具書，也可作為相關專業本科生、研究生的參考書，同時對無人機愛好者來說，也是一套極其有趣的讀物。

    本書專業性強，涉及大量新的學術術語和新概念，圖、表和公式也很多，由於譯者有限，難免存在一些錯誤，敬請讀者批評指正。

    《無人機手冊》翻譯委員會

    20pan>9年4月

49．1  引言

    在幾年，無人機已經越來越活躍地參與到了各種軍事和民用項目活動當中。無人機在這些領域的應括偵察和情報收集、森林巡查、海岸線監視以及搜索和救援(Tsach et apan>．，2010)。在所有種類的無人機開發中，受臺的飛行動力學建模通常都是整個項目開發過程的基石。無人機建模不僅能夠提供準確的數學模型而能夠采用的基於模型的控制規律設計技術，而且還能夠對飛臺本身的機械設計提供深入的見解。此外，與傳統的有人駕駛飛行器不同，為了滿足有效載荷的要求以及機載航電設備的安裝幾何外形要求，無人臺通常都是用現成的產行定制或者大幅度改造而成。無人臺的工作原理根據其外形的不同，從固定翼、旋翼、撲翼到單旋翼機(如Samurai)(Rosenet apan>．1991)會有所不同。在給某種特殊類型的飛行臺建立模型時，長期以來在傳統的飛行臺上積累下來、得到廣泛認可的豐富經驗已經無法直接采用。因此，讓無人機開發人員了解模型是如何建立起來的、如何辨識模型當中的未知參數，對於他們的工作是有幫助的。

    有關飛行器的飛行動力學建模以及基於模型的參數辨識等內容相關的許多工作，都已經在相關技術文獻中做了介紹。這其中有許多工作的最終目標就是面向無人機開發。在Heffiey et apan>．(1988)的報告中，已經為具有足夠復雜性的傳統單旋翼直升機推導了一個數學模型，報告對主旋翼推力產生的模型組成做了說明。在Johnson(1994)的報告中，對直升機的工作原理和設計思路行了較為全面和詳細的說明，所涉及的方括直升機垂直飛行、前向飛行、旋轉繫統的數算、旋翼動力學和空氣動力學、氣動彈性、穩定和控制等。在上述報告的基礎上，Cai et apan>．(2012)推導出了小型單旋翼直升機的綜合非線性模型。他們的這項工作還在隨後增加了一些與無人機相關的其他內容，如無人機的結構、軟件開發、控制器設計，並編著出版(Cairo et apan>．。2011)。

    ．(2010)的論文中，以傳遞函數的形式推導出了一種小型共軸直升機的數學模型。這種新模型可用於控制器的優化設計。在Bermes(2010)的報告中，探討了一種自主式共軸微型直升臺(muFly)的設計和動態建模與仿真，結合了無鉸式旋翼繫統的主動和被動揮舞特性、穩定杆動力學、基於傾斜器或轉移質量重心方法的滾轉一俯仰的控制等內容，建立了一個模塊化的動態模型。

  由於尺小、推重比高以及空氣動力學上的對稱性，共軸式直升機是一種極為吸引人的無人臺。在質量相同的情況下，共軸式直升機的尺可以比單旋翼直升機的尺小35％～40％。此外，共軸式直升機的空氣動力學對稱性可以有效地消除單旋翼直升機上普遍存在的偏航力矩和側向力，所以共軸式直升機在快速前向飛行的過程中效率更高。這些優點都使得共軸式直升機在受約束的環境中，如室內或者混亂的室外，成為無人臺的理想選擇。共軸式直升機有兩種類型。一種是旋翼具有固定的總槳距，另外一種具有可變的總槳距。在本章的後續內容中將這兩種共軸式直升機分別稱為固定槳距共軸式直升機和可變槳距共軸式直升機。這兩種共軸式直升機的動態建模將是本章主要討論的內容。

  共軸式直升機和傳統的單旋翼直升機在建模方面的一個主要不同之處在於，一對同軸旋翼，每個旋翼都以受另外一個旋翼影響的誘導速度旋轉。這樣的相互作用關繫在Colin(1997)的報告中已經有所闡述。在Kim et apan>．(2006)和Rand et apan>．(2010)以及【Jim et apan>．(2009)的論文中，也對兩個旋翼的尾流動力行了詳細研究。共軸式直升機的另外一個特殊之處是安裝在頂部槳轂上的穩定杆，以被動方式對直升機起到穩定的作用。但是，由於上旋翼沒有連接任何伺服機構，所以穩定杆同時也給旋翼動力學特性帶來了極大的影響，這對於固定槳距的共軸式結構來說尤其明顯。因此，對上旋翼的周期變距控制都隻有通過穩定杆纔能夠產生。穩定杆的動力學特性模型一般都是一階滯後繫統(Mukherl陋el apan>．，2011)。在Mukherljee et apan>．(2011)的論文中以及Schafroth et apan>．(2010)的論文中，槳尖軌面(TPP)動力學被分割為上部和下部兩個部分，隻有下部的什P受到伺服裝置的控制。

  在幾篇討論微型共軸直升機建模的論文中，雖然都得出了較為完整的非線性或線性模型，但是對於模型的建立卻都缺乏比較清晰的解釋。另外，參數......