第1章 緒 論

1.1 無人機的定義、分類、特點及應用

1.1.1 無人機的定義

1.1.2 無人機的分類、特點

1.1.3 無人機的應用

1.2 無人機繫統的基本構成及相應作用

1.2.1 無人機

1.2.2 控制站

1.2.3 通信鏈路

1.2.4 任務載荷

1.2.5 導航繫統

1.2.6 發射與

1.3 無人機發展史簡述

1.4 無人機的發展現狀及發展趨勢

部分 固定翼無人機繫統

第2章 固定翼無人機飛行原理

2.1 固定翼無人機基本結構組成及其作用

2.1.1 機翼、機身、氣動舵面、尾翼

2.1.2 自動駕駛儀

2.1.3 傳感器

2.1.4 執行機構

2.1.5 通信繫統

2.1.6 動力繫統

2.1.7 實用載荷

2.1.8 地面設施

2.2 常規布局固定翼無人機的基本飛行和操縱原理

2.2.1 常規布局固定翼無人機的基本飛行原理

2.2.2 常規布局固定翼無人機的操縱原理

2.3 非常規布局固定翼無人機簡介

小 結

思考題

第3章 固定翼無人機的基本空氣動力學

3.1 升力和阻力

3.1.1 機翼的幾何形狀和幾何參數

3.1.2 機翼的升力

3.1.3 阻 力

3.2 升阻特性

3.3 氣動布局的形式及氣動特性

3.3.1 正常式布局

3.3.2 鴨式布局

3.3.3 無尾布局

3.3.4 三翼面布局

小 結

思考題

第4章 固定翼無人機飛行性能

4.1 平飛、上升、下滑性能

4.1.1 定常平飛時的運動方程

4.1.2 平飛速度Vmax

4.1.3 小平飛速度Vmin

4.1.4 平飛速度範圍

4.1.5 定常直線上升運動方程

4.1.6 定常直線上升運動性能

4.1.7 定常下滑運動性能

4.2 續航性能

4.2.1 航程和續航時間的基本關繫式

4.2.2 等高等速巡航時的航程和續航時間

4.2.3 飛機的續航性能

4.2.4 活動半徑

4.2.5 風對續航性能的影響

4.3 起降性能

4.3.1 起飛性能

4.3.2 著陸性能

4.3.3 單發停車故障的對策

4.3.4 改善起落性能的措施

4.3.5 風切變下的起落過程

4.4 機動性能

4.4.1 鉛垂平面內的機動性能

4.4.2 水平平面內的機動性能

小 結

思考題

第5章 固定翼無人機的基礎建模和控制

5.1 常用的坐標軸繫及其轉換

5.1.1 常用的坐標軸繫

5.1.2 坐標繫轉換矩陣

5.1.3 常用坐標繫之間的關繫

5.2 飛行器質心動力學及運動學方程

5.3 飛行控制基本原理

5.3.1 飛行指令獲取

5.3.2 飛行參數的實時感知

5.3.3 飛行器的控制方式

5.3.4 飛行控制方法

5.4 姿態控制繫統的分析與設計

5.4.1 姿態控制特征及其性能指標

5.4.2 姿態控制的方案選擇

5.4.3 穩定控制回路設計

5.4.4 數字式飛行控制繫統設計

小 結

思考題

第6章 無人機控制執行機構

6.1 動力繫統

6.1.1 燃油發動機

6.1.2 電池、電機和電調

6.2 伺服舵機繫統

6.2.1 電動舵機

6.2.2 液壓舵機

6.2.3 電動液壓復合舵機

6.3 剎車繫統

6.3.1 剎車繫統的工作原理

6.3.2 剎車繫統的分類和組成

6.4 傘降繫統

6.4.1 無人機傘降繫統簡介

6.4.2 切傘裝置

6.4.3 無人機傘降繫統的發展方向

小 結

思考題

第二部分 多旋翼無人機繫統

第7章 旋翼無人機飛行原理

7.1 旋翼無人機的基本結構組成

7.1.1 機械結構

7.1.2 自動駕駛儀

7.1.3 通信繫統

7.1.4 機動化組件

7.1.5 實用載荷

7.1.6 地面設施

7.1.7 保護措施與安全設備

7.2 直升機飛行力學及飛行原理

7.2.1 直升機旋翼的作用

7.2.2 直升機的典型飛行狀態分析

7.2.3 直升機的操縱

7.3 四旋翼無人機飛行力學及飛行原理

7.4 其他構型多旋翼無人機簡介

7.4.1 四旋翼無人機

7.4.2 六旋翼無人機

7.4.3 八旋翼無人機

7.4.4 同軸多引擎無人機

7.4.5 H 形無人機

小 結

思考題

第8章 無人直升機的基礎建模與控制

8.1 無人直升機的基礎建模

8.1.1 單旋翼直升機的建模

8.1.2 共軸旋翼直升機的建模

8.2 無人直升機的控制和穩定性

8.2.1 單旋翼直升機的控制和穩定性

8.2.2 共軸旋翼直升機的控制和穩定性

8.3 無人直升機的控制繫統設計

8.3.1 控制

8.3.2 預先控制

小 結

思考題

第9章 多旋翼無人機的基礎建模與控制

9.1 多旋翼無人機的基礎建模

9.1.1 剛體動力學模型

9.1.2 氣動力和扭矩

9.2 多旋翼無人機的控制繫統設計

9.3 多旋翼無人機的穩定性分析

小 結

思考題

第10章 旋翼飛行器的制導與導航繫統

10.1 引 言

10.2 旋翼飛行器的嵌入式制導繫統

10.2.1 任務定義和路徑規劃

10.2.2 飛行模式管理

10.2.3 安全程序和飛行終止繫統

10.2.4 參考軌跡的實時生成

10.3 旋翼飛行器的傳統導航繫統

10.3.1 姿態和航向參考繫統

10.3.2 坐標和速度估算

10.3.3 運用壓力傳感器和慣性導航繫統的高度估算

10.4 視覺導航繫統在小型旋翼無人機中的應用

10.4.1 導航中的視覺處理

10.4.2 實時視覺導航算法

小 結

思考題

第11章 小型四旋翼無人機繫統的搭建實例

11.1 安全常識

11.2 四旋翼繫統工具及零部件準備

11.2.1 需要的工具及相關使用方法

11.2.2 四旋翼無人機的組件

11.3 四旋翼繫統結構裝配

11.3.1 動力繫統和飛控繫統預調試

11.3.2 機體組裝

11.4 整機調試及飛行

11.4.1 飛行準備

11.4.2 試 飛

小 結

思考題

第三部分 新構型無人機繫統簡介

第12章 旋翼固定翼復合無人機

12.1 旋翼固定翼復合無人機應用需求及性能特點

12.2 國內外研究概況和發展趨勢

12.2.1 推力定向類旋翼固定翼復合無人機

12.2.2 推力換向類旋翼固定翼復合無人機

12.3 兩類常見的旋翼固定翼復合飛行器及其控制

12.3.1 復合式高速直升機

12.3.2 傾轉旋翼式飛行器

小 結

思考題

參考文獻

無人機作為新興領域，近幾年來的發展方興未艾。無人機從初的航拍、娛樂用途，逐步向著農業、安保、電力、數字城市、大氣監測等方面擴展。可以預見的是，無人機在未來5~10年內會依然是高科技產業發展的熱點，其產業規模和標準也將一直處於不斷擴展和完善當中。鋻於此，作為一名北京航空航天大學航空科學與工程學院教授，以及在無人機和飛控領域耕耘多年的學者，我深感有責任編寫一本教材，讓廣大無人機愛好者和從業者能夠有的放矢，從中獲益。

這本教材從無人機的控制角度入手，側重不同構型無人機的飛行力學及控制方法介紹，讓讀者從無人機核心的飛行及控制層面去了解無人機。同時，本書還有實踐部分的內容，以樸實的語言向讀者簡單介紹了一架四旋翼無人機從拼裝制作到調試飛行的全過程。相信初學者通過閱讀本書，能夠快速對無人機有一個宏觀的認知和了解。

全書按照無人機的構型分為三個部分，共12章內容。全書的編寫過程有我的朋友及學生參與其中，他們是：張文強、任超、李鶴宇、馮煜捷、隋晗、夏川，在此感謝他們的幫助和付出。同時，還要感謝北京航空航天大學航空科學與工程學院相關同事和領導以及北京商鯤教育控股集團相關人士的大力支持。

董朝陽

2020年3月