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《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》
无人驾驶飞机设计：基本原理综述
作者：
Mohammad H. Sadraey
Southern New Hampshire University
出版社：Morgan & Claypool
出版时间：2017年
《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》
《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》
《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》
《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》
目录
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Part I xv
1 Design Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 UAV Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Design Project Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Decision Making . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Design Criteria, Objectives, and Priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Feasibility Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.7 Design Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8 Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.9 Systems Engineering Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.10 Conceptual Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.11 Preliminary Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.12 Detail Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.13 Design Review, Evaluation, and Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.14 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 Design Disciplines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Aerodynamic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Structural Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Propulsion System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Landing Gear Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 Mechanical/Power Transmission Systems Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7 Control Surfaces Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Part II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Fundamentals of Autopilot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Primary Subsystems of an Autopilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Dynamic Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 UAV Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Aerodynamic Forces and Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6 Stability and Control Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7 Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 State-Space Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.9 Linearization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.10 Autopilot Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.11 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4 Control System Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Fundamentals of Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 UAV Control Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.1 Control Categories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.2 Cruise Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Flight Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Longitudinal Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.2 Roll Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.3 Directional Control Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6 Optimal Control-Linear Quadratic Regulator (LQR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.7 Robust Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.8 Digital Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9 Stability Augmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.10 Autonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.10.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.10.2 Detect (i.e., Sense)-and-Avoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.10.3 Automated Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.10.4 Fault Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.10.5 Intelligent Flight Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.10.6 Manned-Unmanned Teaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.11 Control System Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.12 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.13 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5 Navigation System Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3 Inertial Navigation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 Global Positioning System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5 Position Fixing Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5.1 Map Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5.2 Celestial Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.6 Inertial Navigation Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.6.1 Accelerometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6.2 Gyroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.6.3 Airspeed Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.6.4 Altitude Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.7 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.8 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 Guidance System Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 Elements of Guidance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3 Guidance Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.4 Line-of-Sight Guidance Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.5 Formation Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.6 Proportional Navigation Guidance Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.7 Pursuit Guidance Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.8 Waypoint Guidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.9 Seeker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.10 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7 Microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2 Basic Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3 Modules/Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.4 Flight Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4.1 Software Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4.2 Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4.3 Management Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4.4 Microcontroller Programing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4.5 Software Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.6 C Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.7 Compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4.8 ArduPilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4.9 Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4.10 Design Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.5 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Part III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8 Ground Control Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2 GCS Subsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.3 Human Operator in Ground Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.4 Types of Ground Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.4.1 Handheld Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.4.2 Portable GCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.4.3 Mobile Truck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.4.4 Central Command Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.5 Communication System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.6 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8.7 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9 Launch and Recovery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.2 Fundamentals of Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9.3 Launcher Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.4 Recovery Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.5 Recovery Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.5.1 Parachute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.5.2 Impact Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.6 Air Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.7 Hand Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.8 Launch and Recovery Systems Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.9 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.10 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10 Payloads Selection/Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.2 Payload Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.3 Cargo or Freight Payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.4 Reconnaissance/Surveillance Payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
10.4.1 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.4.2 Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10.5 Scientific Payloads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.6 Military Payload (Weapon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
10.7 Payload Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.7.1 Payload Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
10.7.2 Payload Aerodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
10.7.3 Payload-Structure Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
10.7.4 Payload Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
10.8 Payload Control and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
10.9 Payload Selection/Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
10.10 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.11 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Author Biography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193
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