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第1章 气动布局与动力学模型1

1.1 气动布局1

1.2 动力学模型6

1.2.1 牛顿-欧拉方法6

1.2.2 欧拉-拉格朗日方法8

1.2.3 四元数方法9

1.2.4 例子：四旋翼无人直升机动力学模型12

参考文献18

第2章 针对二维垂直起降飞机稳定的嵌套饱和状态控制20

2.1 引言20

2.2 技术发展21

2.3 二维垂直起降飞机模型23

2.4 控制策略24

2.4.1 垂直位移y的控制24

2.4.2 滚转角θ和水平位移x的控制25

2.5 二维垂直起降飞机稳定的其他控制策略30

2.6 实验结果31

2.7 小结34

参考文献34

第3章 双旋翼垂直起降微型无人机设计、建模与控制38

3.1 引言38

3.2 动力学模型39

3.2.1 运动学40

3.2.2 动力学41

3.2.3 控制分析模型44

3.3 控制策略45

3.3.1 高度控制45

3.3.2 水平运动控制45

3.3.3 姿态控制46

3.4 实验装置47

3.4.1 机载飞行系统48

3.4.2 地面视觉系统49

3.4.3 实验结果50

3.5 小结52

参考文献53

第4章 双旋翼无人机自主悬停飞行55

4.1 引言55

4.2 双旋翼无人机56

4.2.1 描述56

4.2.2 动力学模型58

4.3 控制算法设计62

4.4 实验平台67

4.4.1 实时PC控制系统（PCCS）67

4.4.2 实验结果69

4.5 小结71

参考文献71

第5章 可倾转机身无人机建模与控制73

5.1 引言73

5.2 可倾转机身无人机74

5.2.1 垂直飞行模式74

5.2.2 飞行模式转换74

5.2.3 水平飞行模式75

5.3 数学模型75

5.3.1 飞行模式转换76

5.3.2 无人机的姿态76

5.3.3 运动方程78

5.4 控制器设计79

5.4.1 悬停飞行控制79

5.4.2 倾转控制88

5.4.3 水平飞行控制94

5.5 嵌入式系统98

5.5.1 实验平台99

5.5.2 微控制器100

5.5.3 惯性测量单元（IMU）101

5.5.4 传感器融合101

5.6 小结与展望103

5.6.1 小结103

5.6.2 展望104

参考文献104

第6章 不同倾转旋翼无人机的控制106

6.1 引言106

6.2 垂直起降飞机的动力学模型107

6.2.1 运动学108

6.2.2 动力学108

6.3 垂直起降无人机的姿态控制109

6.4 三倾转旋翼无人机：Delta110

6.4.1 Delta无人机动力学111

6.4.2 作用在Delta无人机上的力矩112

6.4.3 实验平台搭建113

6.4.4 实验结果115

6.5 单倾转旋翼无人机：T-Plane116

6.5.1 作用在飞机上的力与力矩118

6.5.2 实验结果119

6.6 小结121

参考文献121

第7章 利用驱动电机电流反馈改进四旋翼无人机的姿态稳定性123

7.1 引言123

7.2 无刷直流电机及速度控制器124

7.3 四旋翼无人机126

7.3.1 动力学模型127

7.4 控制策略128

7.4.1 姿态控制129

7.4.2 电枢电流控制131

7.5 系统结构132

7.5.1 四旋翼无人机132

7.5.2 地面控制站134

7.5.3 视觉系统134

7.6 实验结果135

7.7 小结137

参考文献137

第8章 微型旋翼无人机鲁棒控制设计技术：仿真与实验结果139

8.1 引言139

8.2 动力学模型140

8.3 问题描述142

8.4 鲁棒控制设计143

8.5 仿真与实验结果145

8.5.1 仿真145

8.5.2 实验平台147

8.6 小结148

参考文献149

第9章 采用单摄像头的四旋翼无人机悬停稳定飞行151

9.1 引言151

9.2 视觉伺服152

9.2.1 直接视觉伺服153

9.2.2 间接视觉伺服153

9.2.3 基于视觉伺服的定位154

9.2.4 基于图像的视觉伺服155

9.2.5 位置-图像视觉伺服155

9.3 摄像头标定157

9.3.1 两平面标定方法157

9.3.2 同质变换方法159

9.4 姿态估计160

9.4.1 n点透视方法161

9.4.2 基于平面姿态的方法162

9.5 动力学模型及控制策略165

9.6 实验平台组成167

9.7 实验结果168

9.7.1 摄像头标定结果168

9.7.2 实验过程169

9.7.3 飞行实验结果170

9.8 小结171

参考文献171

第10章 基于视觉定位控制的小型双旋翼垂直起降无人机175

10.1 引言175

10.2 位置与速度估计177

10.2.1 惯性传感器177

10.2.2 视觉传感器177

10.2.3 基于卡尔曼滤波的传感器融合181

10.3 动力学模型183

10.4 控制策略186

10.4.1 前向子系统187

10.4.2 侧向子系统188

10.4.3 航向子系统188

10.5 实验装置及结果188

10.5.1 实验结果189

10.6 小结191

参考文献191

第11章 基于视频流的小型无人机自主三维定位与控制193

11.1 引言193

11.2 相关研究和三重嵌套卡尔曼滤波框架195

11.2.1 视频流计算195

11.2.2 从运动中恢复结构问题195

11.2.3 仿生视觉的无人机导航196

11.2.4 所提框架的简要描述197

11.3 基于预测的自适应图像块算法用于精确高效的视频流计算198

11.3.1 搜索中心预测199

11.3.2 块匹配算法和差分算法组合200

11.4 基于视频流理解的无人机三维运动估计和障碍检测（SFM问题）202

11.4.1 图像模型203

11.4.2 视频流和角速率数据融合204

11.4.3 基于扩展卡尔曼滤波算法的运动和结构估计204

11.5 空中平台的描述及实现206

11.5.1 基于旋翼的无人机平台206

11.5.2 实时软件208

11.6 三维飞行实验和实验结果209

11.6.1 实验方法和安全流程210

11.6.2 基于视频流的速度控制210

11.6.3 基于视频流的位置控制210

11.6.4 基于视频流的室内全自主飞行213

11.7 小结214

参考文献215

第12章 基于立体视觉和视频流的八旋翼无人机实时稳定控制219

12.1 引言219

12.2 立体视觉220

12.3 三维重构224

12.4 特征点匹配算法226

12.5 基于视频流的控制227

12.6 八旋翼无人机230

12.6.1 动力学模型231

12.6.2 控制策略238

12.7 系统概念240

12.8 飞行实验241

参考文献244

第13章 三维定位246

13.1 卡尔曼滤波器247

13.1.1 线性卡尔曼滤波器247

13.1.2 扩展卡尔曼滤波器249

13.1.3 无迹卡尔曼滤波器251

13.1.4 球形单体Sigma点卡尔曼滤波器257

13.2 无人机定位265

13.2.1 定位类型265

13.2.2 惯性导航理论框架266

13.3 仿真268

13.3.1 四旋翼直升机269

13.3.2 惯性导航仿真269

13.4 小结275

参考文献276

第14章 有风条件下自主飞行无人机的飞行重规划280

14.1 引言280

14.2 建模282

14.2.1 向下气流模型282

14.2.2 平移动力学模型283

14.3 飞行规划更新286

14.3.1 基本问题阐述288

14.3.2 层次规划结构289

14.4 更新参考航路：时间优化问题289

14.5 第一组解S1的分析293

14.6 小结300

参考文献300