多旋翼飞行器从原理到实践多旋翼无人机技术书籍 pdf下载

内容介绍

本书瞄准多旋翼无人机的应用实践，旨在降低入门门槛，为更多不具备多旋翼专业知识和开发背景的高职、低年级本科生或相关从业人员提供全栈式、理论实践相结合的综合参考教科书。本书将介绍多旋翼发展历史以及展望未来趋势，介绍多旋翼子系统的参数和功能，介绍自主组装和调试多旋翼整体的方法已经相关法律法规知识。本书聚焦于多旋翼无人机，实现了多旋翼理论和实践完全打通，与其他多旋翼方面教科书相比，更好地平衡了理论与实践、通俗技术与高深理论之间的关系，具有更好的普适性和专业性。 

目录

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 *一阶段（1990 年以前）：休眠期. . . . . . . . . . . . . 13 

1.3.2 *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 年到今）：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 . . . . . . . . . . . . 100 

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：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