《Unmanned Aircraft Design:A Review of Fundamentals》

请叫我雷锋 · 发表于 2017-10-5 14:47:14

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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》

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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Ken · 发表于 2017-10-6 10:05:50

下載收藏,謝謝!

璀璨星空 · 发表于 2017-10-23 20:26:49

谢谢分享。
来自: 微社区

quartz · 发表于 2017-11-19 08:52:20

好书

gsj · 发表于 2017-12-6 00:00:06

学习学习

jjj · 发表于 2018-1-4 20:30:43

Good book, thanks

夏义道 · 发表于 2018-1-8 17:22:11

谢谢分享！！！！！！！！！

风了吧 · 发表于 2018-4-8 21:18:38

啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了啊啊啊厉害了

metapost · 发表于 2018-4-14 20:46:45

a really good book

oygx210 · 发表于 2018-5-13 21:49:36

thanks

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