航空航天科技出版工程PDF电子书下载

查看更多关于的内容

第1部分 简介 3

第1章 无人机系统的应用、能力以及重大挑战 3

1引言 3

2任务与应用 3

2.1 早期演化 3

2.2 代替人做枯燥、肮脏、危险工作 4

2.3 民用和商业应用的出现 4

3新型能力与前景 5

3.1 扩大设计空间和操作范围 5

3.2 自主能力 8

4重大挑战 9

4.1 有权使用的空域 9

4.2 追求信任 9

4.3 一体化 10

5总结 10

参考文献 10

第2部分 任务 15

第2章 基于无人飞行系统的遥感技术 15

1引言 15

2基于无人机系统的遥感技术 15

3无人机遥感技术应用中的核心概念 17

3.1 检测与计数应用 17

3.2 识别与定位应用 18

3.3 分析应用 18

4无人机成像设备 19

4.1 视频系统 19

4.2 数码相机 19

4.3 校准数字成像仪 20

5结论 22

参考文献 22

第3章 基于自主降落伞的精确运输系统 24

1引言 24

2操作及关键要求的概念 24

3PADS家族及其稳态表征 27

4建模 30

4.1 管理方程式 30

4.2 表观质量和惯性 31

4.3 PADS空气动力学 32

4.4 控制输入的影响 34

4.5 线性化模型及其稳定性 35

5PADS GNC 35

5.1 机动指导 36

5.2 对不同风况的考虑 37

5.3 最优精准位置制导 38

6其他进展 40

6.1 滑坡角度控制 40

6.2 低成本PADS 40

7结论 43

参考文献 43

第4章 多功能联网无人机系统 45

1引言 45

2无线电通信原理 45

3空对地通信 46

4空对空通信 48

5天线类型和位置 48

5.1 全向天线 48

5.2 定向天线 48

5.3 相控阵天线 49

5.4 天线位置 49

6无人机系统网络 50

7总结 51

参考文献 51

第5章 武器一体化 53

1引言 53

2系统设计与集成的问题 53

3武器种类 53

4弹道炸弹 54

4.1 物理基础 54

4.2 飞机附件 54

4.3 目标瞄准 54

4.4 投放 55

5智能炸弹 55

5.1 物理基础 55

5.2 飞机附件 55

5.3 目标瞄准 55

5.4 投放与制导 57

6复杂的空对地武器 57

7空对空导弹 57

7.1 飞机附件 57

7.2 目标瞄准 58

7.3 投放与制导 58

7.4 最后阶段 59

8从武器舱释放武器 59

9存储管理系统 59

10武器接口标准 60

11未来的系统 60

参考文献 60

第3部分 机身配置 65

第6章 无人机的分级和任务 65

1概述 65

2无人机实例 65

2.1 微型无人机 66

2.2 小型无人机 66

2.3 中型无人机 67

2.4 大型无人机 69

3损耗型无人机 70

4无人机系统的分类 70

4.1 以航程和航时分类 70

4.2 分层系统 71

4.3 商用和消费级无人机 71

5任务使命 71

5.1 军民用任务对比 72

6结论 73

参考文献 73

第7章 无人机的起飞 74

1概述 74

2基本考虑 74

3固定翼无人机的起飞方式 76

3.1 轨道发射器 76

3.2 气压发射器 77

3.3 液压气动发射器 77

3.4 零距离火箭助飞无人机发射 78

4垂直起降无人机的起飞 79

5无人机的空中起飞 80

6结论 80

参考文献 80

第8章 无人机的回收 81

1概述 81

2传统降落方式 81

3垂直网系统 82

4伞降回收 82

5垂直起降无人机 83

6空中回收 84

7舰载回收 85

8结论 86

参考文献 86

第9章 厘米级飞行器的发展 87

1概述 87

2固定翼无人机的发展 87

2.1 固定翼无人机构型概述 87

2.2 日本固定翼无人机发展 88

3旋翼无人机的发展 89

3.1 世界范围内厘米级旋翼无人机的发展 89

4厘米级无人机控制器设计 91

4.1 控制理论 91

4.2 设备 92

4.3 MAVC 1和MAVC 2的飞行控制板 92

5低雷诺数机翼特点和固定翼MAV的飞行稳定性 93

参考文献 94

第4部分 无人机系统设计与子系统 99

第10章 无人机系统控制站概述 99

1概述 99

2术语和定义 99

3分类 99

4主要设计特点 100

4.1 结构 100

4.2 主要功能 102

4.3 人员因素 103

4.4 环境状态 104

4.5 取证和安全 104

4.6 互用性 105

4.7 安全 105

5未来趋势 105

6结论 106

7致谢 106

参考文献 106

第11章 推进系统 108

1综述 108

1.1 推进变型 109

1.2 电气化推进变型 110

1.3 软基方法——智能动力管理和节能 111

2结论 112

参考文献 112

第12章 供能和能源管理 114

1概述 114

2机载能源和设计应用 115

2.1 内燃机 115

2.2 电池能源 116

2.3 太阳能 117

2.4 燃料电池 118

3能量管理飞行计划 118

3.1 能量优化飞行速度 119

3.2 能量最优飞行与名义巡航速度飞行 122

3.3 路线规划 123

4收集大气能量 123

4.1 自主静态翱翔 125

4.2 动态翱翔 127

5结论 127

参考文献 127

第13章 控制系统机械化 130

1无人机系统控制基础 130

1.1 无人机系统和控制系统 130

1.2 FCS种类 130

1.3 UAS控制架构 131

1.4 UAS控制系统设计考虑 131

2无人机控制系统元素 132

2.1 传感器及其整合 132

2.2 作动器 133

2.3 飞行控制计算机 134

3 FCS开发过程 134

3.1 控制系统设计 134

3.2 软件在环仿真 134

3.3 硬件在环测试 135

4一些实际问题 136

4.1 FCS的故障安全程序 136

4.2 飞行试验和与控制站的通信 136

5总结 138

参考文献 138

第5部分 自主性 141

第14章 弱GPS环境下的相对导航 141

1引言 141

2相对导航框架 142

2.1 相对前端概述 142

2.2 全局后端概述 142

2.3 突变场景 143

3相对前端 143

3.1 视觉测距 143

3.2 估计 143

3.3 低级路径生成及其跟踪 144

3.4 控制 145

4全局后端 145

4.1 姿态图 145

4.2 地点识别 146

4.3 间断的GPS整合 146

4.4 地图优化 146

4.5 高级路径规划 147

5结论 147

参考文献 148

第15章 基于鸽子启发优化的目标检测与任务规划 150

1引言 150

2鸽子优化算法 150

2.1 鸽子的自然行为 151

2.2 数学模型 151

2.3 基本PIO算法的步骤 152

3用于目标检测的PIO算法 153

3.1 问题描述 153

3.2 基于SAPIO优化的EPF实施过程 154

3.3 实验结果 154

4用于无人机航迹规划的PIO算法 156

4.1 使用PIO算法进行路径优化 156

4.2 基于PP-PIO算法的三维路径规划 157

5基于PIO算法的任务分配方法 160

5.1 任务分配问题描述 160

5.2 实验结果 161

6总结 162

参考文献 163

第16章 自主架构 164

1无人机自主架构介绍 164

1.1 无人机的自动水平 164

1.2 自主系统架构概述 164

2无人机自主架构 165

2.1 底层架构 166

2.2 顶层架构 167

3自主架构示例：ARCAS项目 169

3.1 底层ARCAS架构 169

3.2 顶层ARCAS架构 169

3.3 ARCAS复杂任务示例：装配操作 171

4结论 171

参考文献 172

第17章 避障：静态障碍物 175

1引言 175

2静态障碍避障 175

2.1 维诺图法 176

2.2 胞体分解法 176

2.3 可视图法 176

2.4 势场和基于采样的方法 176

3避障研究 176

4静态障碍物避障 177

5反应规划 178

6总结 178

参考文献 178

第18章 制导武器、无人机导航和路径规划 181

1导弹与无人机用GPS和INS的问题 181

1.1 全球定位系统（GPS）导航 181

1.2 惯性导航系统（INS） 182

1.3 惯性导航算法 184

1.4 GPS/INS集成 184

2 TERPROM和TERCOM的原理与实践 185

2.1 飞机和无人机的路径规划 186

3战术导弹制导策略 186

3.1 CLOS制导与变型 187

3.2 比例导引（PN）制导 188

3.3 脱靶量（MD） 189

4结论 190

参考文献 191

第19章 嵌入式无人机自动驾驶仪与传感器系统 193

1引言 193

2自动驾驶仪架构 194

3自内环控制结构 194

3.1 横向自动驾驶仪 195

3.2 纵向自动驾驶仪 197

4机上传感器及传感器处理 199

4.1 角速度、空速及高度 200

4.2 滚转角和俯仰角 200

4.3 惯性位置及航向 202

5 GPS导航 202

5.1 直线路径追踪 203

5.2 轨道跟踪 204

6总结 205

参考文献 205

第6部分 控制 209

第20章 小型无平衡杆无人直升机建模和频域参数识别 209

1引言 209

2系统识别概述 210

3时间历史数据采集 210

3.1 标准和指南 211

3.2 计算机扫描 212

3.3 数据采集 213

4频响分析 214

5模型线性化 222

5.1 配平 223

5.2 综合线性状态空间模型 223

6稳定性与控制导数 224

7频率响应 224

8三维陀螺仪 226

9状态空间模型识别 226

10识别模型的频率响应 227

11时域验证 229

12结论 230

参考文献 230

第21章 轨迹规划与制导 232

1引言 232

2轨迹规划 233

2.1 曲率约束下平面运动的基本运动学模型 233

2.2 基本模型的变化 233

2.3 增量更复杂的模型 235

2.4 进一步模型变化 236

2.5 三维扩展 237

2.6 内点约束的轨迹规划 237

3路径引导 239

3.1 引言 239

3.2 航点引导 239

3.3 虚拟目标引导 241

3.4 交叉引导 242

4结论 243

参考文献 243

第22章 传感器融合 246

1引言 246

2无人机传感器融合 246

3架构 248

4算法 249

4.1 线性卡尔曼滤波 250

4.2 扩展卡尔曼滤波 251

4.3 无迹卡尔曼滤波 252

4.4 粒子滤波 252

4.5 传感器融合算法总结 253

5执行分配 253

6传感器融合实例 254

6.1 基于多传感器的感知与规避 254

6.2 多传感器组合导航 256

7未来发展 261

参考文献 262

第7部分 人为监督 267

第23章 人与自动化之间以及空与地之间的功能分配 267

1综述 267

1.1 要求1：必须为每个单元分配能够执行的功能 267

1.2 要求2：每个单元必须能够执行它的集合功能 268

1.3 要求3：通过合理的团队协作，实现功能配置 269

1.4 要求4：功能分配必须满足工作的动态变化 270

1.5 要求5：功能分配应该是经过仔细考量的设计决策结果 271

2结论 271

参考文献 272

第24章 与有人驾驶飞机和空中交通管制的协调 274

1概述 274

1.1 空域系统 274

1.2 无人机系统 275

1.3 安全管理 275

1.4 空中交通管制员在空中交通管理中的作用 275

1.5 空中交通管制与无人机间的通信 276

2不断发展的无人机系统技术和能力 276

2.1 固定翼与多旋翼 276

2.2 商业应用 277

2.3 通信架构 277

3无人机空域融合与协调的系统要求 277

3.1 感知与规避 277

3.2 基于地面的感知与规避 278

3.3 机载感知与规避 278

4指挥与控制的融合 278

5结论 279

参考文献 280

第25章 飞机驾驶员和操作员界面 281

1概述 281

2基本驾驶舱设计 283

3增加自动化程度对驾驶舱的影响 284

4无人机地面控制接口 285

5结论 288

参考文献 288

第8部分 多机合作与协同 293

第26章 多无人机协同 293

1引言 293

2多无人机协同架构 293

2.1 协调与协同 293

2.2 多无人机架构分类 294

2.3 多无人机协同架构 294

3协同定位 295

4多无人机决策 296

4.1 不同的模型描述 296

4.2 集中式与分布式 296

4.3 抽象层次 296

4.4 时间范围 297

4.5 分类 297

5应用：多无人机人员跟踪 297

6结论 300

参考文献 300

第27章 多无人机对地移动目标的协同standoff跟踪 302

1引言 302

2问题建模 303

2.1 无人机动力学模型 303

2.2 地面目标和传感器模型 303

2.3 地面目标跟踪过滤器 304

2.4 向量场制导方法综述 304

3协同standoff跟踪技术研究现状 305

3.1 分散式自适应滑模控制方法 305

3.2 非线性模型预测控制方法 308

3.3 其他方法 309

3.4 讨论 310

4多UAV协同目标群跟踪 310

4.1 standoff距离可变的LVFG 311

4.2 多UAV跟踪多个目标群 311

4.3 数值仿真 312

5总结 313

参考文献 313

第28章 分布式态势感知与控制 315

1引言 315

2分布式态势感知 316

2.1 卡尔曼和信息滤波器 316

2.2 确定度网格 317

2.3 粒子滤波器 318

3分布式控制 318

3.1 协调与协同 318

3.2 问题定义 319

3.3 问题简化 319

3.4 求解方法 320

4仿真实例 322

5结论 322

参考文献 322

第29章 协同搜索、侦察、监视 324

1引言 324

2路径规划问题 325

2.1 基于视场的搜索 325

2.2 基于网格地图的搜索 325

2.3 覆盖式路径规划算法 325

3监测任务准则 326

3.1 基于频率的方法 326

3.2 紧急准则 326

4协同巡逻 327

4.1 编队策略 327

4.2 循环策略 327

4.3 路径分区策略 328

4.4 区域划分策略 329

5多飞行机器人协同 330

6相关结果 331

6.1 巡视策略对比 331

6.2 收敛分析 332

6.3 试验结果 332

7总结 333

参考文献 333

第30章 无人机集群：决策范式 336

1引言 336

2无人机集群任务分配 337

3通信网络连通性 340

3.1 通信模型 340

3.2 考虑通信状态的任务分配 342

4分布式制导与控制 342

4.1 纯行为式方法 342

4.2 其他行为式方法 343

5总结 346

参考文献 346

第31章 多飞行器综合健康监测 348

1引言 348

2集成控制和故障检测 349

3分散故障检测 350

3.1 突发性故障检测器 350

3.2 非突发性故障检测器 352

4 NAFD自动阈值选择 355

5仿真与讨论 356

参考文献 357

第32章 多飞行器协同控制 359

1引言 359

1.1 动机 359

1.2 协同控制结构 359

1.3 属性 359

2协同团队的复杂性 360

2.1 任务耦合 361

2.2 不确定性 361

2.3 通信 361

2.4 局部信息 361

3任务分配案例 362

3.1 广域搜索弹药场景 362

3.2 任务需求 362

3.3 任务定义 362

3.4 电容转运分配问题规划 363

3.5 权重计算 364

3.6 仿真结果 365

3.7 电容转运分配问题规划的优势和局限性 366

4结论 366

参考文献 366

第33章 编队飞行控制 368

1引言 368

2建模 368

3控制策略 370

4重新配置 374

5传感器 375

6例子 376

7总结 376

参考文献 376

第9部分 空域访问 381

第34章 美国监管制度背景下的无人驾驶飞行系统的使用概况 381

1概述 381

2基于现有监管框架的运营概况 381

2.1 审批框架 381

2.2 无人机使用现状 383

3基于未来监管框架的运营预期 386

3.1 未来监管框架 386

3.2 未来无人系统运营水平预期 389

4小结 392

参考文献 392

第35章 高空振翅：翱翔于商业运输机之上 394

1概述 394

2高空无人机系统任务需求概观 395

2.1 地面操作 396

2.2 起飞、爬升、下降与着陆 396

2.3 飞行中途 397

3链路中断操作 397

4备降/应急点和飞行终止点 398

5将无人机飞行任务的差异融合到国家空域系统中 399

6天气限制 401

7小结 401

参考文献 402

第36章 从农村到城市的低空无人机系统作业方案 403

1概述 403

2小型无人机技术：功能与分类 404

3城市（U）区域作业 406

4郊区（S）区域作业 407

5农村（R）区域作业 408

6无居民商业（UC）区域作业 409

7无居民公共（UP）区域作业 410

8机场区域作业 411

9过渡空域 411

9.1 低空区域之间的过渡 411

9.2 低空和高空之间的过渡 412

10小结 412

参考文献 413

第37章 机场区域的无人机系统：挑战和机遇 415

1引言 415

2机场区域运行 415

3关键挑战和机遇 416

4 CNS＋A操作概念 418

5无人机系统的CNS＋A技术 419

6无人机飞行管理系统 421

7小结 427

参考文献 427

第38章 美国空域中的无人机运营 430

1概述 430

2无人机系统的分类 430

2.1 自主水平 430

2.2 机身尺寸和性能 431

3法规遵从性 433

3.1 无人机系统认证 433

3.2 COA的申请流程 434

4无人机系统平台设计 435

5军事应用 436

6民事应用 436

7无人机飞行测试程序 440

8无人机系统的公众感知 441

9小结 441

参考文献 442

第39章 飞机通信和网络 444

1概述 444

1.1 背景和内容概要 444

1.2 飞机通信系统 444

1.3 飞机通信传输基础 444

1.4 本章 内容 445

2飞机通信原理 445

2.1 模拟语音通信 445

2.2 航空通信类型的分类 445

2.3 航空频段分配 446

3现行通信系统 446

3.1 语音通信 446

3.2 数字化数据链通信 446

4未来的航空通信系统 448

4.1 下一代通信系统 448

4.2 导航 449

4.3 监测 449

4.4 机场地面操作 449

5技术与政策问题 449

5.1 带宽限制 449

5.2 加密和安全 450

5.3 通信性能需求 450

5.4 无人机系统（UAS） 450

6小结 451

参考文献 451

第40章 基于雷达与系统传感器的感知与规避系统 453

1简介 453

2感知与规避系统要求 453

2.1 感知功能 454

2.2 规避功能 454

3传感器要求 455

4雷达权衡分析 455

4.1 角精度 455

4.2 扫描技术 455

4.3 功率预算 457

4.4 最佳工作频率 457

5雷达系统实例 457

5.1 系统体系结构 457

5.2 具体案例 460

6协同传感器 460

7数据融合与入侵飞行器轨迹估计 461

7.1 数据融合原理 461

7.2 多传感器跟踪算法 462

7.3 数据融合仿真 462

8小结 464

参考文献 464

第41章 标准与互用性：系统工程视角 465

1引言 465

2标准化 465

3互用性 466

4互用性和标准化的重要性 468

5系统工程——通过建模和仿真模拟实现无人机互用性和标准化 468

6关键模块化设计替换方面 471

7机械电子交换 472

8无人机系统互用性和标准化面临的挑战 472

参考文献 473

第10部分 安全整合问题：安全、防护、隐私 477

第42章 无人机系统（UAS）法规政策和流程：动态形势——美国的视角 477

1引言 477

2无人机系统法律、法规和政策文件及混淆原因 477

3当今无人机系统法规和政策 479

4型号合格证（TC）和适航性认证 481

5技术标准的制定 482

6欧洲的法规和政策 482

7小结 482

附录A：定义 483

附录B：型号合格证数据表（TCDS） 485

参考文献 491

第43章 要求：安全等级 492

1引言 492

2定义和假设 492

3无人驾驶系统的背景 492

3.1 安全的含义 492

3.2 无人机系统控制模式 493

3.3 等效性与透明度 493

4认证——软件和硬件的航空标准 493

4.1 CS 1301和1309 493

4.2 无人机系统研发和设计 494

4.3 ARP 4761民用航空系统和设备安全评估流程的准则与方法 495

4.4 ARP 4754A民用飞机和无人机系统研发准则 495

4.5 RTCA DO—178B/C软件在机载系统和设备认证中的注意事项 495

4.6 RTCA DO-254机载电子硬件设计保障准则 495

4.7 CAP-722无人机系统在英国空域的运行准则 496

5无人机系统设计注意事项 496

5.1 安全评估 496

5.2 研发/设计保障级别 496

5.3 确认和验证 496

6运行问题 497

6.1 航空规定 497

6.2 空域注意事项 497

6.3 自主与自动化 498

6.4 健康管理和应急处理 498

6.5 通信 499

6.6 地面控制站 499

7事故分析 499

8结束语 500

参考文献 500

第44章 保险是使命推动者 501

1引言 501

2保险如何运作？ 502

2.1 风险 502

2.2 赔偿 502

2.3 代位求偿原则 503

3无人机系统的风险管理 503

3.1 航空风险管理概述 503

3.2 怎样降低风险 504

4无人机系统的注意事项 506

4.1 法定和监管要求 506

4.2 州法律可附加条例 506

4.3 严格责任 507

4.4 极端危险行为 507

4.5 不可予以保险的行为 507

4.6 企业保险 507

5小结 507

参考文献 508

第45章 从无人机系统导航的角度看故障安全系统 509

1简介 509

2 ARTIS系统描述 510

3相关工作 511

4故障安全系统 512

4.1 故障安全的无人机系统（UAS） 513

4.2 故障安全软件 513

5无人机系统故障安全系统需求 514

5.1 需求格式 514

5.2 安全性、活性与公平性 515

6故障安全系统设计 515

6.1 设计验证 516

6.2 模型检查结果 517

7故障安全系统检验 517

7.1 测试方法 517

7.2 测试维度 518

8故障安全系统运行时间管理 519

9结论与展望 519

参考文献 520

第46章 无人机系统（UAS）可靠性与风险分析 522

1简介 522

2风险分析的原因 522

3风险因素 523

3.1 系统故障 523

3.2 人为差错 523

3.3 鸟撞 523

4风险模型 523

4.1 空中碰撞 523

4.2 地面碰撞 524

5案例计算 526

5.1 场景1：环境监测 526

5.2 场景2：城市巡逻 528

6小结 530

参考文献 531

第47章 感知与规避：系统与方法 533

1简介 533

2 SAA系统监管方面 533

2.1 最新式的监管 533

2.2 SAA系统的认证挑战 534

3 SAA可用技术 534

3.1 协同技术 535

3.2 非协同技术 535

3.3 协同与非协同技术综述 536

4 SAA架构和方法 537

5小结 539

参考文献 540

第48章 系统和网络安全：需求、建模和管理 542

1引言 542

1.1 近期无人机系统网络攻击事件 542

1.2 UAS安全研究面临的挑战 543

2无人机系统网络威胁模型 543

2.1 无人机系统架构 543

2.2 无人机系统通信网络 545

2.3 无人机系统计算机安全网络威胁 545

2.4 系统视角下的特定攻击场景 547

3无人机系统漏洞分析和风险评估及降低风险措施 547

3.1 主动风险评估 548

3.2 攻击后行为分析 549

3.3 UAS网络威胁缓解 551

4小结 551

参考文献 551

第49章 社会和法律问题 553

1引言 553

2无人驾驶飞机 553

3宪法问题 556

4其他问题 558

5小结 560

参考文献 560

附录 《航空航天科技出版工程11无人机系统》英文版参编人员 562

索引 566

查看更多关于的内容