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《Introduction to Multicopter Design and Control》
飞行器设计和控制介绍
作者：
Quan Quan
Department of Automatic Control
Beihang University
出版社：Springer
出版时间：2017年
《Introduction to Multicopter Design and Control》
《Introduction to Multicopter Design and Control》
《Introduction to Multicopter Design and Control》
《Introduction to Multicopter Design and Control》
目录
1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Classification of Commonly Used Small
Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Unmanned Aerial Vehicle and Model
Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Remote Control and Performance Evaluation . . . . . . . . . 6
1.2.1 Remote Control of a Multicopter . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Bottleneck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 History of Multicopters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 The First Stage (Before 1990): Dormancy
Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 The Second Stage (1990–2005): Growing
Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 The Third Stage (2005–2010): Development
Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.4 The Fourth Stage (2010–2013): Activity
Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 The Fifth Period (2013–): Booming Period . . . . 19
1.3.6 Conclusion Remark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 The Objective and Structure of the Book. . . . . . . . . . . . 21
1.4.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Part I Design
2 Basic Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Airframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.1 Fuselage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2 Landing Gear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.3 Duct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3 Propulsion System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
xi
2.3.3 Electronic Speed Controller . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.4 Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4 Command and Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 RC Transmitter and Receiver . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.2 Autopilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.3 Ground Control Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.4 Radio Telemetry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3 Airframe Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1 Configuration Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Airframe Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 Aerodynamic Configuration . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2 Structural Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Design Principles of Airframe . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2 Anti-Vibration Consideration . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 Noise Reduction Consideration. . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Modeling and Evaluation of Propulsion System . . . . . . . . . . 73
4.1 Problem Formulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Propulsion System Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Propeller Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Motor Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.3 Electronic Speed Controller Modeling . . . . . . . . 79
4.2.4 Battery Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Performance Evaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 Solution to Problem 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Solution to Problem 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3 Solution to Problem 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.4 Solution to Problem 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 Test Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6 Appendix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.1 Procedure to Obtain Thrust Coefficient
and Torque Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.2 Procedure to Obtain the Motor Equivalent
Voltage and Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Part II Modeling
5 Coordinate System and Attitude Representation . . . . . . . . . 99
5.1 Coordinate Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1 Right-Hand Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
xii Contents
5.1.2 Earth-Fixed Coordinate Frame
and Aircraft-Body Coordinate Frame. . . . . . . . . 101
5.2 Attitude Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.1 Euler Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.2 Rotation Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.3 Quaternions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6 Dynamic Model and Parameter Measurement . . . . . . . . . . . 121
6.1 Multicopter Control Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.1 General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.1.2 Multicopter Flight Control Rigid Model . . . . . . 124
6.1.3 Control Effectiveness Model . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.4 Propulsor Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Multicopter Aerodynamic Drag Model . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.1 Blade Flapping. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.2 Multicopter Aerodynamic Drag Model . . . . . . . 132
6.3 Multicopter Model Parameter Measurement . . . . . . . . . . 132
6.3.1 Position of the Center of Gravity . . . . . . . . . . . 133
6.3.2 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3.3 Moment of Inertia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.3.4 Propulsor Model’s Parameter Measurement . . . . 138
6.4 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Part III Perception
7 Sensor Calibration and Measurement Model . . . . . . . . . . . . 147
7.1 Three-Axis Accelerometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.1.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.1.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.1.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Three-Axis Gyroscope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.2.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.3 Three-Axis Magnetometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4 Ultrasonic Range Finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5 Barometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.5.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Contents xiii
7.6 2D Laser Range Finder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.6.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.6.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.6.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.6.4 Supplement: LiDAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.7 Global Positioning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.7.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.7.2 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.7.3 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.7.4 Supplement: Latitude-and-Longitude
Distance and Heading Calculation. . . . . . . . . . . 164
7.8 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.8.1 Fundamental Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.8.2 Measurement Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.8.3 Calibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.8.4 Some Toolboxes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.9 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8 Observability and Kalman Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.1 Observability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.1.1 Linear System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.1.2 Continuous-Time Nonlinear System . . . . . . . . . 179
8.2 Kalman Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.1 Objective. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.2 Preliminary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.3 Theoretical Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2.4 Multirate Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.3 Extended Kalman Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.1 Basic Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.2 Theoretical Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.3 Implicit Extended Kalman Filter . . . . . . . . . . . . 195
8.4 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9 State Estimation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9.1 Attitude Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.1.1 Measuring Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.1.2 Linear Complementary Filter . . . . . . . . . . . . . . 204
9.1.3 Nonlinear Complementary Filter . . . . . . . . . . . . 207
9.1.4 Kalman Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.2 Position Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.2.1 GPS-Based Position Estimation . . . . . . . . . . . . 209
9.2.2 SLAM-Based Position Estimation . . . . . . . . . . . 210
9.3 Velocity Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.3.1 Optical-Flow-Based Velocity Estimation
Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
xiv Contents
9.3.2 Aerodynamic-Drag-Model-Based Velocity
Estimation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.4 Obstacle Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.4.1 Focus of Expansion Calculation . . . . . . . . . . . . 220
9.4.2 Time to Collision Calculation. . . . . . . . . . . . . . 221
9.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Part IV Control
10 Stability and Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
10.1 Definition of Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10.2.1 Stability of Multicopters . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10.2.2 Some Results of Stability . . . . . . . . . . . . . . . . 231
10.3 Basic Concepts of Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.3.1 Classical Controllability. . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.3.2 Positive Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4 Controllability of Multicopters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.4.1 Multicopter System Modeling . . . . . . . . . . . . . 238
10.4.2 Classical Controllability. . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.4.3 Positive Controllability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.4.4 Controllability of Multicopter Systems . . . . . . . 243
10.4.5 Further Discussions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.6 Appendix: Proof of Lemma 10.17. . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11 Low-Level Flight Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.1 Framework of Low-Level Flight Control
of Multicopters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.2 Linear Model Simplification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
11.2.1 Horizontal Position Channel Model. . . . . . . . . . 255
11.2.2 Altitude Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
11.2.3 Attitude Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.3 Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.3.1 Basic Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.3.2 Euler Angles as Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.3.3 Rotation Matrix as Output . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.4 Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
11.4.1 Basic Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
11.4.2 Euler Angles Based Attitude Control. . . . . . . . . 266
11.4.3 Rotation Matrix Based Attitude Control. . . . . . . 266
11.4.4 Robust Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
11.5 Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.5.1 Basic Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.5.2 Implementation of Control Allocation
in Autopilots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Contents xv
11.6 Motor Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.6.1 Closed-Loop Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.6.2 Open-Loop Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.7 Comprehensive Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.7.1 Control Objective and System Parameter
Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.7.2 Euler Angles Based Attitude Control
Combined with Euler Angles Based Position
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.7.3 Rotation Matrix Based Attitude Control
Combined with Rotation Matrix Based
Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.7.4 Robust Attitude Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.8 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12 Position Control Based on Semi-Autonomous Autopilots . . . 287
12.1 Problem Formulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.1.1 Structure of Multicopter with SAA . . . . . . . . . . 289
12.1.2 Models of Three Channels . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.1.3 Objective of Position Control . . . . . . . . . . . . . . 291
12.2 System Identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.2.1 Procedure and Toolboxes of System
Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
12.2.2 Model Used in System Identification. . . . . . . . . 293
12.3 Position Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
12.3.1 PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
12.3.2 Additive-Output-Decomposition-Based
Dynamic Inversion Control . . . . . . . . . . . . . . . 297
12.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
12.4.1 System Identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
12.4.2 Control Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
12.4.3 Comparison of Tracking Performance . . . . . . . . 305
12.5 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Part V Decision
13 Mission Decision-Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
13.1 Fully-Autonomous Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
13.1.1 Brief Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
13.1.2 Mission Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
13.1.3 Path Planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13.2 Semi-Autonomous Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
13.2.1 Three Modes of SAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13.2.2 Radio Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
13.2.3 Automatic Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.2.4 Switching Logic Between RC and AC . . . . . . . 333
xvi Contents
13.3 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
14 Health Evaluation and Failsafe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
14.1 Purpose and Significance of Decision-Making
Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.2 Safety Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.2.1 Communication Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . 339
14.2.2 Sensor Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
14.2.3 Propulsion System Anomaly . . . . . . . . . . . . . . 341
14.3 Health Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
14.3.1 Pre-Flight Health Check . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
14.3.2 In-Flight Health Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 342
14.4 Failsafe Suggestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14.4.1 Communication Failsafe . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.4.2 Sensor Failsafe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.4.3 Propulsion System Failsafe . . . . . . . . . . . . . . . 346
14.5 A Safe Semi-Autonomous Autopilot Logic Design . . . . . 347
14.5.1 Requirement Description . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
14.5.2 Multicopter State and Flight Mode Definition. . . 348
14.5.3 Event Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
14.5.4 Autopilot Logic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
14.5.5 Demand and Decision-Making Table. . . . . . . . . 354
14.6 Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
15 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
15.1 Related Technology Development. . . . . . . . . . . . . . . . . 365
15.1.1 Propulsion Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
15.1.2 Navigation Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
15.1.3 Interactive Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
15.1.4 Communication Technology. . . . . . . . . . . . . . . 368
15.1.5 Chip Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
15.1.6 Software Platform Technology . . . . . . . . . . . . . 369
15.1.7 Air Traffic Control Technology . . . . . . . . . . . . 369
15.1.8 Concluding Remark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
15.2 Demand and Technology Innovation . . . . . . . . . . . . . . . 370
15.2.1 Innovation Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
15.2.2 Application Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
15.2.3 Performance Innovation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
15.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
15.3.1 Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
15.3.2 Suggestions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
15.4 Opportunities and Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
15.4.1 Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
15.4.2 Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
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千斤顶
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