《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

请叫我雷锋

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》
无人机:嵌入式控制
编者：Rogelio Lozano
出版社：ISTE
出版时间：2010年

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

目录
Chapter 1. Aerodynamic Configurations and Dynamic Models . . . . . . . 1
Pedro CASTILLO and Alejandro DZUL
1.1. Aerodynamic configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Dynamicmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1.Newton-Eulerapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2.Euler-Lagrangeapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3.Quaternionapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4. Example: dynamic model of a quad-rotor rotorcraft . . . . . . . . 13
1.3.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Chapter 2. Nested Saturation Control for Stabilizing the PVTOL Aircraft 21
Isabelle FANTONI and Amparo PALOMINO
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.Bibliographical study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.ThePVTOLaircraftmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.Control strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1. Control of the vertical displacement y . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.2. Control of the roll angle θ and the horizontal displacement x . . . 27
2.4.2.1. Boundedness of θ˙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2.2. Boundedness of θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2.3. Boundedness of ˙¯x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.4. Boundedness of ¯x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.2.5. Convergence of θ, θ˙, x¯ and x¯˙ to zero . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5. Other control strategies for the stabilization of the PVTOL aircraft . . . 33
2.6.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
v
vi Unmanned Aerial Vehicles
Chapter 3. Two-Rotor VTOLMini UAV: Design, Modeling and Control . 41
Juan ESCARENO, Sergio SALAZAR and Eduardo RONDON
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1.Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2.Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2.1.Forces acting onthe vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2.2.Torques acting on the vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3.Model for control analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.Control strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1. Altitude control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2.Horizontalmotioncontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.3. Attitude control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1. Onboard flight system (OFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2.Outboardvisual system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.2.1. Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2.2.Opticalflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Chapter 4. Autonomous Hovering of a Two-Rotor UAV . . . . . . . . . . . 59
Anand SANCHEZ, Juan ESCARENO and Octavio GARCIA
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.Two-rotorUAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1.Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2.1.Translationalmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2.2.Rotationalmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2.3.Reducedmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.Control algorithmdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.Experimentalplatform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1.Real-timePC-control system(PCCS) . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.1.1. Sensors and communication hardware . . . . . . . . . . . . . 73
4.4.2.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Chapter 5. Modeling and Control of a Convertible Plane UAV . . . . . . . 79
Octavio GARCIA, Juan ESCARENO and Victor ROSAS
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Contents vii
5.2.ConvertibleplaneUAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.1.Verticalmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.2. Transition maneuver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.3.Horizontalmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.Mathematicalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.3.1.Translationof the vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2.Orientationof the vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2.1.Euler angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2.2. Aerodynamic axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2.3.Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.3.Equationsofmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.Controllerdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.1.Hover control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.1.1.Axial system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.1.2.Longitudinal system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.1.3.Lateral system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.1.4. Simulation and experimental results . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.2. Transition maneuver control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.3.Horizontalflight control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5.Embeddedsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5.1.Experimentalplatform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5.2.Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.5.3. Inertialmeasurementunit (IMU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.5.4.Sensor fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.6.Conclusions andfutureworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.6.1.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.6.2.Futureworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Chapter 6. Control of Different UAVs with Tilting Rotors . . . . . . . . . . 115
Juan ESCARENO, Anand SANCHEZ and Octavio GARCIA
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.Dynamicmodelof aflyingVTOLvehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2.1.Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2.2.Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3. Attitude control of a flying VTOL vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4. Triple tilting rotor rotorcraft: Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4.1. Kinetics of Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.4.2. Torques acting on the Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.4.3.Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4.3.1.Avionics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.3.2. Sensor module (SM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.3.3. On-board microcontroller (OBM) . . . . . . . . . . . . . . . 125
viii Unmanned Aerial Vehicles
6.4.3.4. Data acquisition module (DAQ) . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.4.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5. Single tilting rotor rotorcraft: T-Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5.1. Forces and torques acting on the vehicle . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5.2.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5.2.1.Experimentalplatform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5.2.2.Experimental test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.6.Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Chapter 7. Improving Attitude Stabilization of a Quad-Rotor UsingMotor
Current Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Anand SANCHEZ, Luis GARCIA-CARRILLO, Eduardo RONDON and
Octavio GARCIA
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2. Brushless DC motor and speed controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.3.Quad-rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3.1.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4.Control strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4.1. Attitude control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4.2.Armature current control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.5.Systemconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.5.1.Aerial vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5.2. Ground station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.5.3.Vision system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.6.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.7.Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Chapter 8. Robust Control Design Techniques Applied toMini-Rotorcraft
UAV: Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
José Alfredo GUERRERO, Gerardo ROMERO, Rogelio LOZANO and
Efraín ALCORTA
8.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3.Problemstatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.4.Robust controldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.5.Simulation andexperimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.5.1.Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.5.2.Experimentalplatform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.6.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Contents ix
Chapter 9. Hover Stabilization of a Quad-Rotor Using a Single Camera . 167
Hugo ROMERO and Sergio SALAZAR
9.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.2.Visual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.2.1.Direct visual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.2.2. Indirectvisual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
9.2.3. Position based visual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.2.4. Image-basedvisual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.2.5.Position-imagevisual servoing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9.3.Camera calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.3.1.Two-plane calibrationapproach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.3.2. Homogenous transformation approach . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.4.Pose estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.4.1. Perspective of n-points approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
9.4.2.Plane-pose-basedapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.5.Dynamicmodel andcontrol strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.6.Platformarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.7.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
9.7.1.Camera calibrationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.7.2.Testing phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.7.3.Real-time results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.8.Discussion andconclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
9.9.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Chapter 10. Vision-Based Position Control of a Two-Rotor
VTOL Mini UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Eduardo RONDON, Sergio SALAZAR, Juan ESCARENO and Rogelio LOZANO
10.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
10.2. Position and velocity estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.1. Inertial sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.2.Visual sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.2.1. Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.2.2.2.Opticalflow(OF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.2.3.Kalman-basedsensor fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.3.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.4.Control strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.4.1. Frontal subsystem (Scamy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.4.2. Lateral subsystem (Scamx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.4.3. Heading subsystem (Sψ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.5.Experimental testbed and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
10.5.1.Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
10.6.Concludingremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
x Unmanned Aerial Vehicles
10.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Chapter 11. Optic Flow-Based Vision System for Autonomous
3D Localization and Control of Small Aerial Vehicles . . . . . . . . . . . . . 209
Farid KENDOUL, Isabelle FANTONI and Kenzo NONAMI
11.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
11.2. Related work and the proposed 3NKF framework . . . . . . . . . . . . 210
11.2.1.Optic flowcomputation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
11.2.2.Structure frommotionproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
11.2.3. Bioinspired vision-based aerial navigation . . . . . . . . . . . . . 213
11.2.4. Brief description of the proposed framework . . . . . . . . . . . 213
11.3. Prediction-based algorithm with adaptive patch for accurate and
efficient opticflowcalculation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.3.1.Search center prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
11.3.2. Combined block-matching and differential algorithm . . . . . . . 216
11.3.2.1. Nominal OF computation using a block-matching
algorithm(BMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
11.3.2.2. Subpixel OF computation using a differential
algorithm(DA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
11.4. Optic flow interpretation for UAV 3D motion estimation and obstacles
detection(SFMproblem) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.4.1. Imagingmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
11.4.2. Fusion of OF and angular rate data . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
11.4.3. EKF-based algorithm for motion and structure estimation . . . . 221
11.5. Aerial platform description and real-time implementation . . . . . . . 223
11.5.1.Quadrotor-basedaerial platform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.5.2.Real-time software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11.6. 3D flight tests and experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
11.6.1. Experimental methodology and safety procedures . . . . . . . . 227
11.6.2.Optic flow-basedvelocitycontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
11.6.3. Optic flow-based position control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.6.4. Fully autonomous indoor flight using optic flow . . . . . . . . . . 231
11.7.Conclusionand futurework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
11.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Chapter 12. Real-Time Stabilization of an Eight-Rotor UAV Using Stereo
Vision and Optical Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Hugo ROMERO, Sergio SALAZAR and José GÓMEZ
12.1.Stereo vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
12.2.3Dreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
12.3. Keypoints matching algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.4.Opticalflow-basedcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
12.4.1.Lucas-Kanadeapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Contents xi
12.5.Eight-rotorUAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.5.1.Dynamicmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.5.1.1. Translational subsystem model . . . . . . . . . . . . . . . . 251
12.5.1.2. Rotational subsystem model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
12.5.2.Control strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
12.5.2.1. Attitude control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
12.5.2.2. Horizontal displacements and altitude control . . . . . . . . 258
12.6.Systemconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
12.7.Real-time experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
12.8.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Chapter 13. Three-Dimensional Localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Juan Gerardo CASTREJON-LOZANO and Alejandro DZUL
13.1.Kalmanfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
13.1.1.LinearKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
13.1.2.ExtendedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
13.1.3.UnscentedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
13.1.3.1.UKFalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
13.1.3.2.AdditiveUKFalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
13.1.3.3. Square-root UKF algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
13.1.3.4. Additive square-root UKF algorithm . . . . . . . . . . . . . 277
13.1.4. Spherical simplex sigma-point Kalman filters . . . . . . . . . . . 278
13.1.4.1. Spherical simplex sigma-point approach . . . . . . . . . . . 278
13.1.4.2. Spherical simplex UKF algorithm . . . . . . . . . . . . . . 280
13.1.4.3.AdditiveSS-UKFAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
13.1.4.4. Square-root SS-UKF algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.1.4.5. Square-root additive SS-UKF algorithm . . . . . . . . . . . 284
13.2. Robot localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.2.1.Types of localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.2.1.1. Dead reckoning (navigation systems) . . . . . . . . . . . . . 285
13.2.1.2.Apriorimap-basedlocalization . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.2.1.3. Simultaneous localization and mapping (SLAM) . . . . . . 286
13.2.2. Inertial navigation theoretical framework . . . . . . . . . . . . . 286
13.2.2.1. Navigation equations in the navigation frame . . . . . . . . 287
13.3.Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.3.1.Quad-rotorhelicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.3.2. Inertial navigationsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
13.3.3.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
13.4.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Chapter 14. Updated Flight Plan for an Autonomous Aircraft in a Windy
Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Yasmina BESTAOUI and Fouzia LAKHLEF
14.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
xii Unmanned Aerial Vehicles
14.2.Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.2.1.Down-draftmodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.2.2. Translational dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
14.3.Updatedflight planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
14.3.1.Basic problemstatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
14.3.2. Hierarchical planning structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
14.4. Updates of the reference trajectories: time optimal problem . . . . . . 312
14.5.Analysis of thefirst set of solutionsS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
14.6.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
List of Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331

这本书出中文版了
无人机:嵌入式控制

《Unmanned Aerial Vehicles: Embedded Control》

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