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| 內容簡介： |
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本书基于飞行动力学和控制的理论和方法，研究了四旋翼飞行器飞行动力学和飞行控制系统的有关理论和设计问题。其主要内容包括基于动量法的性能计算、刚体动力学运动方程、平衡特性、小扰动线性化方程和运动稳定性等基本的飞行动力学问题；在上述基础上，对于悬停、垂直飞行和前飞三种飞行状态，研究了其飞行控制系统反馈结构原理并给出了详细的系统设计方法，以及对一架具体的四旋翼飞行器进行飞行控制系统设计和数学仿真。本书适合从事多旋翼飞行器研究和制造的专业工作者、有关专业的研究生和本科生，以及广大爱好者参考使用，亦可作为高等院校的教科书使用。
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| 目錄：
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第1章 多旋翼飞行器现状、发展及本书内容 001
第2章 四旋翼飞行器基本组成、原理和性能计算 007
2.1 飞行器的基本组成 007
2.2 气动布局特点 008
2.3 产生升力的方法 009
2.4 产生力矩的方法 010
2.5 力、力矩及运动变量在参考坐标系中的表示 011
2.6 姿态运动和操纵原理 013
2.7 轨迹运动和操纵原理 016
2.8 基本性能计算 017
2.8.1 悬停性能 018
2.8.2 垂直飞行性能 022
2.8.3 前飞性能 025
2.9 四旋翼飞行器性能计算实例 025
2.9.1 四旋翼飞行器的有关数据 025
2.9.2 悬停性能计算 026
2.9.3 垂直飞行性能计算 028
2.9.4 前飞性能计算 031
2.9.5 性能数据分析和应用 032
第3章 刚体运动方程 036
3.1 建立运动方程的意义、假设和方法 036
3.2 四旋翼飞行器所受力和力矩 038
3.2.1 升力 038
3.2.2 阻力 039
3.2.3 力矩 043
3.3 悬停运动方程 045
3.3.1 机体坐标系下的力方程 046
3.3.2 机体坐标系下的力矩方程 047
3.3.3 运动学方程 047
3.3.4 几何关系方程 048
3.4 垂直运动方程 048
3.5 前飞运动方程 050
3.5.1 速度坐标系下的力方程 050
3.5.2 机体坐标系下的力矩方程 051
3.5.3 运动学方程 052
3.5.4 几何关系方程 052
第4章 平衡运动特性 054
4.1 悬停平衡特性 054
4.1.1 平衡运动表示和方程 054
4.1.2 平衡运动条件和性质 055
4.2 垂直运动平衡特性 057
4.2.1 平衡运动表示及方程 057
4.2.2 平衡运动条件和性质 057
4.3 前飞运动平衡特性 059
4.3.1 平衡运动表示及方程 059
4.3.2 前飞速度条件和性质 059
4.4 前飞纵向机动性 063
4.4.1 机动性和意义 063
4.4.2 纵向机动性运动描述和静操纵性 063
第5章 小扰动线性化运动方程和传递函数 068
5.1 小扰动线性化运动方程的建立方法、意义和条件 068
5.2 基准运动和小扰动运动的解耦 069
5.3 悬停小扰动线性化方程和传递函数 071
5.3.1 基准运动方程 071
5.3.2 小扰动线性化方程的推导 071
5.3.3 小扰动运动的状态方程 074
5.3.4 小扰动运动的传递函数 075
5.4 垂直运动小扰动线性化方程和传递函数 083
5.4.1 基准运动方程 083
5.4.2 小扰动线性化方程的推导 083
5.4.3 小扰动运动的状态方程 084
5.4.4 小扰动运动的传递函数 085
5.5 前飞小扰动线性化方程和传递函数 086
5.5.1 基准运动方程 086
5.5.2 小扰动线性化方程的推导 087
5.5.3 小扰动运动的状态方程 089
5.5.4 小扰动运动的传递函数 092
5.6 运动稳定性和操纵性 100
5.6.1 一些共性问题的讨论 100
5.6.2 悬停稳定性和操纵性 102
5.6.3 垂直运动稳定性和操纵性 103
5.6.4 前飞稳定性和操纵性 104
第6章 姿态角控制 106
6.1 一般性问题讨论 106
6.1.1 姿态角速度动力学响应模型 106
6.1.2 姿态角速度控制系统的控制律结构 109
6.1.3 确定姿态角速度控制律初始参数的方法 112
6.1.4 姿态角控制系统及控制律参数设计 113
6.1.5 姿态角控制系统的工程实施问题 115
6.2 俯仰角控制系统 117
6.2.1 俯仰角控制系统和控制律 117
6.2.2 俯仰角控制系统对阶跃输入的响应特性 119
6.2.3 俯仰角控制系统的控制指令分配 120
6.3 滚转角和航向角控制系统 121
6.4 不同飞行状态下姿态控制问题 123
第7章 垂直速度和高度控制 124
7.1 垂直速度控制系统 124
7.1.1 垂直速度控制 124
7.1.2 垂直运动数学模型和控制律及参数确定方法 124
7.1.3 输出控制分配 127
7.1.4 垂直速度控制律的工程实现 128
7.2 高度保持控制系统 128
7.2.1 高度保持控制 128
7.2.2 控制律设计和参数确定方法 129
7.3 高度预选控制 130
7.3.1 高度预选控制问题 130
7.3.2 高度预选控制的实现方法 131
7.4 设计与仿真实例：垂直速度和高度控制系统 132
7.4.1 垂直飞行运动方程 132
7.4.2 垂直速度控制系统设计与数学仿真 132
第8章 前飞及协调转弯和高度控制 139
8.1 前飞及协调转弯控制问题 139
8.2 实现协调转弯的条件 140
8.3 协调转弯运动数学模型 140
8.4 协调转弯的实现和侧滑角控制系统设计 141
8.5 侧滑角的测量 142
8.6 输出控制分配 143
8.7 高度控制问题 143
8.8 设计与仿真实例：前飞控制系统 144
8.8.1 姿态控制系统设计 144
8.8.2 高度控制系统设计 145
8.8.3 横侧向轨迹控制系统设计 146
8.8.4 数学仿真设计 147
8.8.5 数学仿真过程及结果分析 148
第9章 横侧向轨迹控制 153
9.1 横侧向轨迹控制和运动学模型 153
9.1.1 横侧向轨迹控制问题 153
9.1.2 横侧向轨迹运动学模型 153
9.2 用协调转弯对横侧向轨迹进行控制 154
9.3 用滚转角控制对横侧向轨迹进行控制 156
第10章 悬停控制 160
10.1 悬停控制问题和实现方法 160
10.2 基于姿态角控制系统的悬停控制 160
10.3 使用位移速度控制系统的悬停控制 161
10.4 在确定位置处的悬停控制 164
10.5 设计与仿真实例：悬停控制系统 166
10.5.1 基于姿态控制的悬停控制系统设计与数学仿真 166
10.5.2 基于速度控制的悬停控制系统设计与数学仿真 172
10.5.3 定点悬停控制系统设计与数学仿真 177
参考文献 183
附录：实例四旋翼飞行器数据和运动方程 185
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| 內容試閱：
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多旋翼飞行器是指飞行器采用多个旋翼（至少四个旋翼），并使之实现可控的空中飞行。对于目前广泛使用的多旋翼飞行器来说，其旋翼的个数一般是偶数，如四旋翼、六旋翼和八旋翼等，同时各个旋翼绕飞行器质心呈对称布局形式。
由于多旋翼飞行器结构简单，旋翼、驱动装置和控制元器件及微型化的传感器可以非常方便地从市场上获得。特别是开源的飞行控制系统软件和硬件，使得多旋翼飞行器在最近几年得到飞速的发展，在军事、工业和农业以及其他领域得到了广泛的应用。可以说，自从莱特兄弟发明飞机以来，从来没有一种飞行器像多旋翼飞行器那样得到如此广泛的应用。
从李雅普诺夫运动稳定性理论来看，自然多旋翼飞行器在小扰动运动情况下，其力和力矩平衡（配平）是一种中立稳定的平衡状态。这就导致了对自然多旋翼飞行器操纵的困难，且无法实现“到手即飞”的目标。而引起中立稳定的主要原因是：目前多旋翼飞行器采用的是无铰定距螺旋桨作为旋翼，那么其桨叶无法进行有效的挥舞运动而产生阻尼运动；另外则是无气动部件（如机翼）来产生足够大的气动阻尼力矩。为了使得多旋翼飞行器的操纵变得有效且简单容易，那么就必须采用飞行控制系统来改善自然多旋翼飞行器的动力学特性。
本书采用飞行（动）力学和飞行控制专业的理论和方法，对多旋翼飞行器的动力学特性、性能计算和飞行控制系统设计等理论问题及数学仿真进行全面的阐述。其目的是为从事多旋翼飞行器研制工作和理论学习的读者，提供多旋翼飞行器的飞行（动）力学理论以及操作性强的飞行控制系统理论设计和数学仿真方法，着重在于解决“为什么”和“如何去做”的理论问题，以应对在研制中需要面对的关键和重大的理论问题，并提供解决方案。
本书的研究对象是旋翼绕质心非对称的四旋翼飞行器，即四个旋翼绕质心，分别对称于机体纵向对称平面（亦是机体坐标系的Ob xb zb 平面）布局。这种旋翼布局显然更具有一般性，并且这种非对称性可以给复合翼飞行器提供更为灵活的气动布局。本书的内容可以推广到六旋翼、八旋翼甚至更多偶数个旋翼布局的飞行器，其中既包括旋翼绕质心对称布局的飞行器，也包括旋翼仅与机体坐标系平面对称布局的飞行器。
本书共有10 章内容，是集体合作的作品。其中，第1～ 10 章中的主要内容由北京理工大学徐军撰写；书中飞行控制系统设计实例和数学仿真工作以及内容撰写均由滇西科技师范学院智能与控制学院的杜曼曼老师完成；实例中的四旋翼飞行器的非线性运动方程、小扰动线性化方程和传递函数等数学模型的部分计算工作，是由北京理工大学空天科学与技术学院张卫忠老师完成。滇西科技师范学院智能与控制学院的何星宇老师对本书内容进行了仔细校对和编辑，李鑫老师绘制了四旋翼飞行器的三维立体图；书中的其余插图是由北京理工大学空天科学与技术学院余振欣同学绘制完成。在此感谢他们的辛勤付出。本书的定稿是第一作者徐军在滇西科技师范学院支教期间完成的，在定稿工作中得到了智能与控制学院领导的全力支持和帮助，在此表示感谢。
本书的主要内容，是作者在设计一架四旋翼/固定翼的复合翼无人飞行器时所遇到的问题及其解决方法和研究心得。本书的写作是各位作者在没有相关基金支持情况下利用业余时间完成的，因此特别需要感谢帮助此书出版的所有人士，正是由于他们的努力才能使本书完成并起到对社会有益的作用。如果本书的内容能对多旋翼飞行器的研制人员有所帮助，或者对入门者及感兴趣者有所启发，那么作者将倍感欣慰。
谨以此书献给那些至今对科学仍抱有强烈兴趣，并愿意为之无偿付出的人们！
徐军
2025年2月
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