无人飞行系统设计

无人机系统设计包括三个部分的无人机设计（车辆设计、自动驾驶仪设计和地面系统设计），该书使读者能够充分理解这一主题背后的科学，从而能够展示自己在应用这些概念方面的创造性。它教授学生和工程师所有的知识：无人机分类、设计组、设计要求、任务规划、概念设计、详细设计和设计程序。它使他们深入了解地面站、动力系统、推进系统、自动飞行控制系统、制导系统、导航系统以及发射和回收系统。学生还将学习有效载荷、制造注意事项、设计挑战、飞行软件、微控制器和设计示例。此外，该书主要强调自动飞行控制系统和自动驾驶仪。该书是本科高年级和研究生相关课程教材。

1.本书通过几个世界专业无人飞行系统设计实例，系统性阐述了当今主流的无人飞行系统设计技术，展示了如何将航空科学应用到无人飞行系统的设计中。利用真实的案例、生动的图片以及丰富的数据详细地展示了飞行器、自动驾驶仪和地面系统的设计步骤与设计过程。读者可以通过学习本书充分了解和学习无人飞行系统设计背后的科学知识，并将其应用在实际工程中。

2.本书适合作为高年级本科生和低年级研究生的无人飞行系统、无人飞行器设计课程的大学教材或相关专业工程师的入门参考书。

3.本书在各章结尾大都提供了诸多思考题和练习题，帮助读者巩固概念并练习无人飞行系统的设计。采用该书作为教材和教辅的老师，可以通过作者邮箱：[email protected]，申请该书作者提供的习题解答。

前言
定义
无人飞行系统（UAS）指的是在完成某一空中任务的过程中，由无人飞行器及其配备的多种有效载荷构成的、系统内部协调有序的有机整体。通常易与之混淆的是无人飞行器（UAV），这是一种能够远程驾驶或自动驾驶的飞行器，可以携带各种有效载荷，例如摄像机、雷达、传感器和通信设备等。无人飞行器的所有飞行操作(包括起飞和降落)都是在无机载飞行员的情况下进行的。在新闻和媒体报道中，人们更喜欢使用“无人机”一词来指代无人飞行器。
无人飞行系统主要包括五大组成部分：无人飞行器、控制站、有效载荷、发射和回收系统、维护和保障系统。此外，可以将无人飞行器或系统元件所处的环境（例如空域、数据链、中继飞行器等）作为第六个不可缺少的组成部分。
无人飞行器不仅是一种可重复使用的飞行器，而且可以在执行关键飞行任务时避免人员安全受到威胁，并且其成本低于同类型的有人驾驶飞行器。无人飞行器也是一种飞行器，它们可以像普通飞行器一样在空中飞行。由于无人飞行器的设计类似于飞行器，因此它们也必须满足飞行过程中对飞行器的关键要求。无人飞行器设计人员需要知道如何集成复杂的多学科系统，了解飞行环境，熟悉设计要求和设计难点。
无人飞行器可用于多种飞行任务，在科学项目和科学研究中，可执行飓风跟踪、火山监测和遥感任务；在商业应用中，可执行高楼和桥梁观测、交通控制、塔台维护以及火灾监测任务。此外，无人飞行器也可供电影制作者进行航拍和摄影，可为导演捕捉完美的航拍画面提供一种新的拍摄方式。
在军事领域，无人飞行器可用于执行各种飞行任务，例如监视、侦察、智能路由、发动进攻和参与战斗等。无人飞行器通常具有灵活性强、适应性强的特点，能够进行侦察、地理测绘、收集各种污染物的样本等工作，并且能够执行“搜索和销毁”任务以及进行其他一般性研究。
无人飞行器领域对自主的定义尚无共识。无人飞行系统对自主性的一般要求是其能够提供更灵活的操作，这样操作员可以只告诉系统需要完成的任务是什么，而不是如何完成该任务，并且可以在任务目标动态变化的情况下，采用尽可能少的重规划操作完成任务。从远程驾驶到完全群体自主，无人飞行器的自主飞行能力由低到高可以分成10个级别。一般情况下，自主飞行包括一定程度的人工智能。自动驾驶仪是决定自主飞行能力的主要因素。例如，自动驾驶仪的一个主要功能就是辅助不稳定无人飞行器实现稳定飞行。
据美国联邦航空管理局（FAA）称，2018年，美国至少有12.2万人获得了驾驶无人飞行器的专业认证，原因是该机构在2016年简化了允许无人飞行器商用的流程，由此引发了无人飞行器行业的爆发式发展。不过，联邦航空管理局也对无人飞行器的飞行做了规定，即不允许在飞行员视线外进行商业无人飞行器飞行。根据《时代》杂志的数据，2017年全球共售出了300万架无人飞行器\[1\]，并且仅美国就有超过100万架无人飞行器在美国联邦航空管理局注册使用。
截至2019年1月，全世界至少有62个国家正在研发或使用无人飞行器，无人飞行器的种类也达到了1300多种。随着时间的推移，无人飞行器在出动架次、飞行时间以及任务拓展方面的贡献正在持续增加。这些无人飞行器的成本从几百美元（亚马逊出售各种产品）到数千万美元不等，重量从微型飞行器（MAV）的不足1 lb到大型无人飞行器的超过4万lb不等。无人飞行器必须能够适应以飞行员为中心的空域系统，而该空域系统的规则是根据有人驾驶飞行器的经验积累得到的。
读者对象
本书可作为高年级本科生和低年级研究生的无人飞行系统、无人飞行器设计课程的教材。在写作过程中作者付出了巨大的努力，旨在为读者详尽介绍无人飞行系统技术以及与其相关的多学科设计技术。由于作者试图将无人飞行系统设计的所有设计项目都涵盖到本书中，因此无法做到对每一项目进行详细介绍，读者可根据自身需求以及书后的参考文献进行有针对性的阅读和学习。
无人飞行器与有人驾驶飞行器有很多共同点。在设计方面，有人驾驶飞行器和无人飞行器既有很多相似之处，也有一些不同之处。相似之处包括：设计过程、约束条件（例如过载系数、增压）、飞行器的主要部件（例如机翼、机尾、机身、推进系统、结构、操纵面、起落架）。不同之处包括：自动驾驶仪、通信系统、传感器、有效载荷、发射和回收系统、地面控制站。
本书旨在成为无人飞行系统设计师的主要参考资料。本书介绍的技术同样适用于学术研究和课堂教学。本书可作为无人飞行系统和无人飞行器设计选修课的主要教材，也可作为对无人飞行系统感兴趣的读者的参考书。具有不同行业背景的工程师也可借助本书了解无人飞行系统，并为自己在无人飞行系统设计项目中的新角色做好准备。
方法
无人飞行系统设计的过程涉及众多学科，只有将这些学科有机地融合在一起才能获得满足要求的最佳设计。俗话说“实践出真知”，因此强烈建议读者通过项目实践来检验自己所学的设计技术和理论。同时我们还鼓励教师开设一个长达一学期或一学年的无人飞行系统项目设计的课程，帮助学生在应用和实践过程中学习并体......

目录
译者序
前言
第1章设计基础1
1.1引言1
1.2无人飞行器的分类4
1.3典型无人飞行器回顾6
1.3.1“全球鹰”7
1.3.2RQ-1A“捕食者”7
1.3.3MQ-9“捕食者”B
“收割者”8
1.3.4RQ-5A“猎人”9
1.3.5RQ-7“影子200”9
1.3.6RQ-2A“先锋”9
1.3.7RQ-170“哨兵”10
1.3.8X-45A无人战斗飞行器10
1.3.9爱普生微型飞行机器人10
1.4设计项目规划11
1.5决策12
1.6设计标准、目标和优先级12
1.7可行性分析14
1.8设计小组14
1.9设计流程15
1.10系统工程方法15
1.11无人飞行器概念设计17
1.12无人飞行器初步设计21
1.13无人飞行器详细设计22
1.14设计审查、评估和反馈23
1.15无人飞行器设计步骤24
简答题26第2章初步设计28
2.1引言28
2.2最大起飞重量估算28
2.3重量组成28
2.4有效载荷重量29
2.5自动驾驶仪重量30
2.6燃油重量31
2.7电池重量33
2.8空载重量36
2.9机翼和发动机尺寸38
2.10四旋翼飞行器构型41
简答题47
练习题48第3章设计规程50
3.1引言50
3.2气动特性设计51
3.3结构设计52
3.4推进系统设计55
3.4.1通用设计指南55
3.4.2电动机56
3.5起落架设计58
3.6机械和动力传动系统设计60
3.7电气系统61
3.7.1基础知识61
3.7.2安全建议63
3.7.3接线图63
3.7.4电线的绝缘和屏蔽64
3.7.5电池64
3.7.6发电机66
3.8操纵面设计66
3.9安全分析70
3.9.1设计方面的经验教训71
3.9.2子系统和组件可能的
故障模式73
3.10安装指南75
3.10.1GPS和罗盘75
3.10.2惯性测量单元75
3.10.3电动机75
简答题75
设计题76
练习题77第4章空气动力学设计79
4.1引言79
4.2空气动力学基础80
4.3机翼设计81
4.3.1机翼设计流程81
4.3.2翼型选择和设计81
4.3.3机翼设计方法84
4.3.4机翼设计步骤87
4.4尾翼设计88
4.4.1设计流程88
4.4.2尾翼构型89
4.4.3水平尾翼设计方法90
4.4.4水平尾翼投影面积和
尾翼力臂91
4.4.5水平尾翼翼型91
4.4.6水平尾翼安装角92
4.4.7其他水平尾翼参数93
4.5垂直尾翼设计93
4.5.1参数93
4.5.2垂直尾翼位置93
4.5.3垂直尾翼力臂93
4.5.4投影面积94
4.5.5安装角94
4.5.6其他垂直尾翼参数94
4.5.7垂直尾翼设计方法95
4.6机身设计95
4.6.1机身设计基础95
4.6.2机身内部布局96
4.6.3自动驾驶仪舱98
4.6.4最优长径比98
4.6.5机身空气动力学99
4.6.6放样100
4.6.7机身设计步骤101
4.7天线102
4.7.1固定天线102
4.7.2雷达抛物面天线102
4.7.3卫星通信天线103
4.7.4天线设计/安装103
4.8四旋翼飞行器空气
动力学设计103
4.9空气动力学设计指南104
简答题105
练习题106第5章自动驾驶仪设计基础109
5.1引言109
5.1.1自动驾驶仪和操作人员110
5.1.2自动驾驶仪的主要子系统111
5.1.3自动驾驶仪设计或选择111
5.2动力学建模112
5.2.1建模方法112
5.2.2基本模型114
5.2.3传递函数115
5.2.4状态空间表示117
5.3气动力和气动力矩117
5.3.1力和力矩方程117
5.3.2稳定性和控制导数118
5.3.3无量纲稳定性和控制导数118
5.3.4有量纲稳定性和控制导数119
5.3.5耦合稳定性导数120
5.4动力学模型的简化120
5.4.1线性化121
5.4.2解耦122
5.5固定翼无人飞行器
动力学模型124
5.5.1非线性全耦合运动方程124
5.5.2非线性半耦合运动方程125
5.5.3非线性解耦运动方程125
5.5.4线性耦合运动方程125
5.5.5线性解耦运动方程127
5.5.6重新表述的（非线性半耦合）
运动方程129
5.5.7无动力滑翔运动方程130
5.6动力学模型近似130
5.6.1纯俯仰运动的近似130
5.6.2纯滚转运动的近似130
5.6.3纯偏航运动的近似130
5.6.4纵向振荡模态的近似131
5.7四旋翼（旋翼）飞行器
动力学模型131
5.7.1四个电动机的总推力131
5.7.2动力学模型134
5.7.3简化动力学模型135
5.8自动驾驶仪分类135
5.8.1增稳系统137
5.8.2保持功能137
5.8.3导航功能138
5.8.4指令增强系统139
5.9飞行仿真：数值方法139
5.9.1数值积分140
5.9.2MATLAB和Simulink140
5.9.3硬件在环仿真142
5.10无人飞行器飞行品质142
5.10.1基本原理142
5.10.2分级、分类和可接受等级143
5.10.3强度限制144
5.11自动驾驶仪设计流程144
简答题145
练习题146第6章控制系统设计149
6.1引言149
6.2控制系统基础150
6.2.1......