前言
飛行，一直是人類的夢想。早在公元5 世紀(jì)，中國人就發(fā)明了風(fēng)箏。15 世紀(jì)末，列奧納多.達(dá).芬奇（Leonardo da Vinci ）手繪了大量的飛行機(jī)器和裝置的設(shè)計(jì)圖紙，包括撲翼飛機(jī)、固定翼滑翔機(jī)、旋翼機(jī)、降落傘等。1903 年12 月17 日，萊特兄弟（the Wright brothers）發(fā)明并成功制作了世界上第一架飛機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)了有動力且重于空氣的飛行器的第一次有人操控飛行。自1903 年以來，在隨后的一百多年里，出現(xiàn)了各種各樣的飛行器。然而，只有極少數(shù)人能夠有機(jī)會駕駛并體驗(yàn)操控飛行的樂趣。飛行器和駕駛員一直是那樣神秘，直到小型和微型多旋翼飛行器通過遙控玩具市場走近消費(fèi)者。這主要?dú)w功于這類飛行器的易用性、高可靠性以及易維護(hù)性。這些特性極大地提高了用戶的飛行體驗(yàn)。目前，很難找到一種飛行器能夠像多旋翼飛行器那么簡單、易用。正因?yàn)槿绱耍鼈冏屧絹碓蕉嗟?
人真正操控并享受到飛行的樂趣。除了作為遙控玩具以外，多旋翼飛行器也作為無人機(jī)在一些商業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用，包括監(jiān)控、搜尋以及救援，等等。現(xiàn)在，多旋翼飛行器確立了其在小型無人機(jī)市場的主導(dǎo)地位。不管是定義為遙控玩具，還是無人機(jī)，多旋翼飛行器都可以作為一個合適的研究對象供學(xué)生們研究。這是因?yàn)閷W(xué)生有機(jī)會在較短的時間內(nèi)經(jīng)歷從設(shè)計(jì)到飛行測試的全過程。另一個原因就是，學(xué)生可以通過閱讀多旋翼飛行器開源代碼，并與業(yè)內(nèi)人士交流、互動，來加深對基本原理的理解。
作為北京航空航天大學(xué)教學(xué)課程的一個成果，本書可以用作高年級本科生以及研究生教材，或者作為該領(lǐng)域研究的入門指南，還可以作為多旋翼飛行器工程師的自學(xué)教材。本書也可以作為其他無人飛行系統(tǒng)的補(bǔ)充閱讀材料。為了覆蓋多旋翼飛行器硬件和算法的大部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，本書共15 章，包括多旋翼飛行器硬件設(shè)計(jì)、建模、感知、控制和決策五部分。
本書旨在將多旋翼飛行器工程實(shí)踐中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則組織起來，并強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)概念的重要性，具有以下四個突出的特點(diǎn)。
1．基礎(chǔ)性和實(shí)用性
本書包含多旋翼涉及的大部分內(nèi)容，讀者只要具有電子工程學(xué)（Electronic Engineering，EE）背景，就能夠看懂這本書。多旋翼飛行器的組成從其功能和關(guān)鍵參數(shù)說起，多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)從原理說起，建模從最基本的理論力學(xué)內(nèi)容說起，狀態(tài)估計(jì)部分從傳感器的測量原理說起。在介紹多旋翼控制之前，本書介紹了可控性和穩(wěn)定性概念。另外，書中大部分方法具有基礎(chǔ)和實(shí)用性，并緊密結(jié)合目前經(jīng)常使用的開源自駕儀。
2．綜合性和系統(tǒng)性
本書致力于全面介紹多旋翼飛行器系統(tǒng)，而不僅僅關(guān)注某一個技術(shù)點(diǎn)。通常在實(shí)際工作中，僅僅了解某個技術(shù)點(diǎn)不能滿足用戶的需求，也無法解決復(fù)雜的實(shí)際問題。另一方面，通過相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)或者方案的改進(jìn)，可以避免在單個技術(shù)點(diǎn)上下太多功夫。比如，通過傳感器或機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，可以避免設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的控制器來解決時滯和振動問題。對于一名大學(xué)生來說，掌握了基本的理論知識，如數(shù)學(xué)、空氣動力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、電子學(xué)、濾波優(yōu)化和控制理論等，就應(yīng)當(dāng)把這些知識融會貫通，努力使自己成為一名全棧式開發(fā)者。這也是本書希望達(dá)到的目的。
本書的準(zhǔn)備和書寫對我來說是一個艱難的過程。幸運(yùn)的是，軟件與控制實(shí)驗(yàn)室從2007年開始就支持多旋翼飛行器的相關(guān)研究。那時，我還是一名學(xué)生（自2010年起，本人作為老師，留在實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)相關(guān)研究）。當(dāng)時，張瑞峰和我全身心地投入到制作我們自己的四旋翼的工作中。這使我親身經(jīng)歷了小型多旋翼飛行器的黃金發(fā)展時期。另外，開源自駕儀（如APM和PX4）的開發(fā)團(tuán)隊(duì)無私地分享了他們的設(shè)計(jì)文檔，全世界的研究者們提供了大量的技術(shù)論文供我們參考。
更重要的是，北京航空航天大學(xué)可靠飛行控制研究組（http://rfly.buaa.edu.cn）的同學(xué)們給予了熱忱的支持和幫助。非常感謝任錦瑞、趙峙堯、杜光勛、戴訓(xùn)華、魏子博、鄧恒、史東杰、蔡陽光、顏江、董洪信、傅嘉寧、郭正龍、張婧、駱遙、鄭帥勇、張小威、馬海彪、張賀鵬和杜百會為本書準(zhǔn)備材料，審閱了每個章節(jié)，并且對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行仿真。我要感謝我的同事奚知宇副教授、 研究生Usman Arif、HannaTereshchenko和本科生肖昆，他們校對了書稿并提出了很好的修改建議。
我還想感謝北京航空航天大學(xué)的霍偉教授、李大偉高級工程師、大疆創(chuàng)新科技的于云，以及中航工業(yè)信息技術(shù)中心的朱亮博士，他們對書中內(nèi)容提出了寶貴的意見和建議。本書曾在北京航空航天大學(xué)和中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)以講義的形式使用，學(xué)生們提供了非常寶貴的反饋意見，在此一并感謝。最后，感謝郭祥為本書每章封面精心制作了插畫。
全權(quán)
于北京
2016年12月
中文序
多旋翼飛行器因其易用性、高可靠性以及易維護(hù)性，在軍用和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。縱觀多旋翼飛行器在工業(yè)界的發(fā)展歷史，德國的公司主導(dǎo)了早期的發(fā)展；之后，特別是從2013 年開始，中國獲得了多旋翼飛行器發(fā)展的主導(dǎo)地位。在國內(nèi)，一大批航模愛好者、不同領(lǐng)域的軟/硬件工程師和飛行控制專業(yè)人才紛紛加入，圍繞多旋翼飛行器的相關(guān)創(chuàng)意、技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用、投資和政策等層出不窮，可以說，當(dāng)今中國是世界上微小型多旋翼飛行器研發(fā)最活躍的國家。
多旋翼飛行器在行業(yè)應(yīng)用中的高速發(fā)展離不開開源飛控的支持。無論是借助開源飛控，還是全自主開發(fā)，都需要研發(fā)者對多旋翼飛行器設(shè)計(jì)、建模、感知、控制和決策等全面掌握，才能夠真正將飛行器做好。然而，目前微小型飛行器開發(fā)不少始于小微企業(yè)，與傳統(tǒng)的航空院所不同，小微企業(yè)存在人員少、經(jīng)驗(yàn)少和資源少等問題，因此業(yè)內(nèi)迫切需要一大批能夠挑起大梁的總工程師和全棧式工程師。
人才缺乏的一個重要原因是多旋翼飛行器發(fā)展太快，而相應(yīng)的教材和課程沒有跟進(jìn)。在這種形式下，作者于2015 年年初開始準(zhǔn)備課程，于2016 年上半年在北京航空航天大學(xué)開課，并于2017 年3 月推出了網(wǎng)絡(luò)公開課（MOOC），并在課題組網(wǎng)站http://rfly.buaa.edu.cn/course 發(fā)布中英文課件。與此同時，英文教科書一直在急鑼密鼓而持續(xù)地撰寫和修訂。在英文書稿基本定稿的情況下，考慮到讓國內(nèi)更多同行能夠及時和更方便地閱讀，作者邀請杜光勛博士負(fù)責(zé)中文翻譯工作，并于2016 年9 月在北京航空航天大學(xué)可靠飛行控制研究組內(nèi)展開。具體的翻譯工作安排為：杜光勛博士負(fù)責(zé)第1 章、第10 章和第12 章，趙峙堯負(fù)責(zé)第13.15 章，戴訓(xùn)華負(fù)責(zé)第2.4 章，任錦瑞負(fù)責(zé)第5 章、第6 章和第11 章，鄧恒負(fù)責(zé)第7.9 章，由杜光勛博士統(tǒng)稿。他們花費(fèi)了大量的時間和巨大的心血，在翻譯的同時給本書提出了很多有益的反饋，在此我表示衷心的感謝。可靠飛行控制研究組的史東杰、蔡陽光、顏江、傅嘉寧、郭正龍、張婧、駱遙、馬海彪、張賀鵬、杜百會、董科等同學(xué)也參與了中文翻譯和校對工作，這里對他們也深表感謝。
由于本書跨度較大，涉及較多新的專業(yè)詞匯及新的概念，加上作者和組內(nèi)同學(xué)水平有限，書中若有不當(dāng)之處，懇請讀者指正（請發(fā)郵件至qq buaa@buaa.edu.cn）。我們會不斷改進(jìn)，精益求精，為中國的航空事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
全權(quán)
于加拿大多倫多
2017年12月
目錄
第1 章緒論........................................................................... 1
1.1 基本概念..................................................................... 2
1.1.1 常見飛行器分類........................................................... 2
1.1.2 無人駕駛飛機(jī)和航空模型飛機(jī)..............................................4
1.2 多旋翼遙控和性能評估.......................................................5
1.2.1 遙控.....................................................................5
1.2.2 性能評估.................................................................9
1.2.3 瓶頸.................................................................11
1.3 多旋翼發(fā)展歷史.................................................................11
1.3.1 休眠期.................................................................12
1.3.2 復(fù)蘇期.................................................................13
1.3.3 發(fā)展期.................................................................14
1.3.4 活躍期.................................................................15
1.3.5 爆發(fā)期.................................................................16
1.3.6 評注................................................................. 19
1.4 本書的目的和寫作結(jié)構(gòu).................................................................19
1.4.1 本書的目的.................................................................19
1.4.2 寫作結(jié)構(gòu).................................................................20
習(xí)題1.................................................................23
參考文獻(xiàn).................................................................23
第一篇設(shè)計(jì)篇
第2 章基本組成.................................................................... 28
2.1 總體介紹.................................................................... 29
2.2 機(jī)架.................................................................... 31
2.2.1 機(jī)身....................................................................31
2.2.2 起落架....................................................................32
2.2.3 涵道....................................................................32
2.3 動力系統(tǒng).................................................................... 33
2.3.1 螺旋槳....................................................................33
2.3.2 電機(jī)....................................................................36
2.3.3 電調(diào)....................................................................39
2.3.4 電池....................................................................40
2.4 指揮控制系統(tǒng)....................................................................42
2.4.1 遙控器和接收機(jī)....................................................................42
2.4.2 自駕儀....................................................................44
2.4.3 地面站....................................................................47
2.4.4 數(shù)傳電臺.................................................................... 47
本章小結(jié)......................................................................... 48
習(xí)題2..................................................................49
參考文獻(xiàn)......................................................................... 49
第3 章機(jī)架設(shè)計(jì)......................................................................... 50
3.1 布局設(shè)計(jì).................................................................... 51
3.1.1 機(jī)架布局....................................................................51
3.1.2 氣動布局....................................................................58
3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).................................................................... 59
3.2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則....................................................................59
3.2.2 減振考慮....................................................................59
3.2.3 減噪考慮....................................................................61
本章小結(jié)......................................................................... 62
習(xí)題3......................................................................... 63
參考文獻(xiàn)......................................................................... 63
第4 章動力系統(tǒng)建模和估算....................................................................64
4.1 問題描述..........
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