垂直起降无人机的运动协调 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[加] 阿夫德斯塞米德(AbdelkaderAbde 著

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• 垂直起降
• 运动控制
• 协调控制
• 飞行器
• 自稳控制
• 嵌入式系统
• 算法
• 控制理论
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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118101973

商品编码：1675440158

出版时间：2015-01-01

作  者:(加)阿夫德斯塞米德(Abdelkader Abdessameud),(加)塔伊布(Aerial Vehicles) 著；都基焱 等 译 定  价:86 出 版 社:国防工业出版社 出版日期:2015年01月01日 页  数:180 装  帧:平装 ISBN:9787118101973 ●第1章 引言
●1.1 协调方法综述
●1.2 刚体系统的姿态同步
●1.3 垂直起降无人机的编队控制
●1.4 通信时延处理
●1.5 本书概要
●第2章 背景和预备知识
●2.1 预备知识
●2.1.1 符号和定义
●2.1.2 有用的引理
●2.1.3 有界函数
●2.1.4 信息流建模
●2.2 姿态表示和运动学
●2.2.1 姿态表示
●2.2.2 姿态运动学
●2.3 垂直起降无人机的动力学模型
●2.3.1 四旋翼飞行器举例
●2.3.2 涵道风扇飞行器举例
●2.3.3 垂直起降无人机的标称模型
●第3章 刚体姿态同步
●部分目录

内容简介

本书介绍了应用于自主无人机编队协同飞行方面的控制设计新技术进展，特别是用于姿态同步编队协同方面的控制设计新方法，另外还介绍了一些源于非线性控制理论和多智能体系统理论的控制设计技术的概念,阐述了编队控制的理论框架。

航天器姿态控制系统：从理论到实践 本书聚焦于现代航天器姿态控制领域的前沿研究与工程应用，深入剖析了从基础理论构建到复杂任务执行过程中的关键技术挑战与解决方案。 本书旨在为航天动力学、控制工程、航空宇航科学等相关领域的科研人员、工程师及高年级学生提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考资料。 第一部分：航天器姿态动力学基础与建模 本部分首先系统梳理了航天器姿态运动的物理基础，为后续的控制系统设计奠定坚实的理论基础。 第一章：刚体动力学与运动描述 本章详细阐述了描述航天器姿态运动所需的数学工具。内容涵盖了牛顿-欧拉方程在非惯性参考系下的推导，重点分析了外部扰动力矩（如地球引力梯度、大气阻力、太阳光压）对航天器姿态的影响。此外，对四元数、欧拉角、旋转矩阵等姿态表示方法的优缺点进行了对比分析，特别强调了四元数在避免万向锁问题上的优势及其在姿态动力学方程中的应用。本章还引入了惯性测量单元（IMU）的测量模型，为姿态估计奠定基础。 第二章：航天器动力学建模的复杂性 本章深入探讨了高精度航天器姿态动力学建模所面临的复杂性。内容包括柔性结构对姿态动力学的影响（如大型展开式太阳帆板、天线阵列），以及内部运动部件（如反应轮、磁力矩器内部的转子不平衡性）对系统动态特性的耦合作用。详细分析了非线性动力学模型对控制系统设计的挑战，并引入了简化模型构建的原则和方法，例如准静态近似和降阶模型技术，以适应实时控制的需求。 第三章：外部环境扰动分析与量化 对影响航天器姿态稳定的关键外部因素进行了系统的量化分析。详细讨论了地磁场模型（如IGRF模型）在近地轨道中的应用，以及不同轨道高度和轨道倾角下，重力梯度矩的幅值和方向变化规律。对于微小卫星，大气阻力矩是重要的扰动源，本章提供了大气密度模型的选择、阻力系数的估计方法，以及如何将这些外部载荷转化为作用于航天器质心的精确力矩模型。 第二部分：先进姿态测量与状态估计技术 精确、实时的姿态信息是姿态控制的先决条件。本部分专注于姿态敏感器件的工作原理、数据处理以及先进的状态估计算法。 第四章：姿态敏感器件原理与性能分析 本章详细介绍了当前主流的姿态敏感器件。磁力计（测量地磁场）、太阳敏感器（测量太阳位置）、星敏感器（星光识别与跟踪）的工作机理被深入剖析。重点讨论了传感器在不同工作环境下的误差源（如偏置、标度因子误差、随机噪声特性），并给出了传感器数据融合前的预处理技术，例如卡尔曼滤波前的残差分析和离群点检测。 第五章：卡尔曼滤波与迭代滤波算法 本章的核心内容是姿态和角速度的状态估计。系统阐述了扩展卡尔曼滤波（EKF）在线性化误差的补偿机制，以及无迹卡尔曼滤波（UKF）在处理高度非线性姿态动力学方面的优势。针对航天器高动态机动场景，还引入了粒子滤波（PF）等基于概率密度函数的估计方法，并探讨了在资源受限的嵌入式系统中实现这些复杂滤波算法的优化策略。 第六章：智能传感器数据融合与互操作性 随着惯性测量单元（IMU）的精度提升，如何有效地融合来自IMU、GNSS接收机和光学传感器的异构数据成为关键。本章探讨了基于信息论的传感器融合框架，例如互补滤波（Complementary Filter）在快速响应和抑制高频噪声方面的应用。同时，也讨论了在卫星编队飞行任务中，如何利用相对测量信息（如激光测距和视觉伺服）来增强整体系统对相对姿态的估计精度。 第三部分：高性能姿态控制律设计 本部分是全书的核心，专注于设计能够满足高精度、高鲁棒性要求的反馈控制策略。 第七章：线性化控制理论的应用与限制 本章从经典控制理论出发，回顾了PD控制、PID控制在姿态稳定任务中的应用。随后，重点讲解了将非线性动力学在工作点附近线性化后，利用极点配置、LQR（线性二次型调节器）设计的具体步骤和参数整定方法。深入分析了线性控制方法在面对轨道衰减、有效载荷变化等系统参数摄动时的性能衰减机制。 第八章：非线性控制技术：滑模与反馈线性化 针对航天器姿态动力学的固有非线性，本章详细介绍了先进的非线性控制方法。滑模变结构控制（SMC）因其对模型不确定性和外部扰动的强鲁棒性，被系统地应用于姿态捕获和跟踪任务。本章推导了不同阶次滑模面的设计，并讨论了如何解决抖振问题。同时，对基于微分几何的反馈线性化技术进行了介绍，展示了如何通过坐标变换和状态反馈将非线性系统转化为可控的线性系统。 第九章：先进鲁棒与优化控制方法 为应对日益增长的高精度和高鲁棒性需求，本章引入了现代控制理论的成果。详细介绍了 $mathcal{H}_infty$ 控制的设计流程，用以确保在模型误差存在范围内的性能保证。针对需要精确跟踪预定轨迹的深空探测器，提出了模型预测控制（MPC）框架。MPC通过在线滚动优化，能够显式地考虑执行器约束（如反应轮的饱和限制），从而实现最优的轨迹跟踪和资源管理。 第四部分：执行器技术与任务应用案例 本部分将理论与工程实践相结合，探讨了驱动系统及其在具体任务场景中的集成应用。 第十章：姿态执行器原理与饱和建模 详细介绍了电磁扭矩器（磁力矩器）、反应轮（CMG/RW）、推力器等主流姿态执行器的物理原理、工作特性和局限性。特别关注了执行器的饱和约束、积分限位以及寿命管理问题。为控制设计提供精确的执行器模型，包括磁力矩器的磁矩分配算法和反应轮的力矩耦合建模。 第十一章：航天器姿态控制的典型任务剖析 本章通过具体案例展示了控制系统在复杂任务中的实现。内容包括： 1. 高精度对地观测任务： 涉及凝视控制、指向约束与对地视线保持的控制律设计。 2. 交会对接与编队飞行： 重点分析相对导航信息融合与相对姿态控制中的约束处理。 3. 深空变轨机动： 讨论了在引力场微弱环境下，如何利用推力器进行高效的姿态机动与轨道修正的协同控制。 第十二章：控制系统集成与在轨标定 本章关注工程实现层面。探讨了控制算法到嵌入式硬件的移植优化，实时性验证的流程，以及在轨参数辨识的重要性。详细介绍了如何利用任务数据（如跟踪站观测数据、敏感器残差数据）对动力学参数和传感器偏差进行周期性的在轨标定，以维持系统长期工作的精度要求。 本书特色： 理论的系统性： 从基本动力学原理出发，逐步引入非线性控制和最优控制的前沿方法。 工程的实践性： 每一章的理论推导后均附有详细的工程考量和实际应用案例的分析。 数学的严谨性： 保持了高水平的数学描述，适合深入研究者使用。 关注约束： 强调了航天器控制中不可避免的饱和、噪声和模型不确定性对控制性能的影响及应对策略。

评分☆☆☆☆☆

我以一个资深飞行器设计师的身份来评价，这本书提供了一个非常扎实、全面的知识框架，来审视和设计下一代垂直起降飞行器的飞控系统。它超越了简单的姿态环和位置环的组合，深入到了对任务级协调的探讨，比如如何在复杂地形下自动规划最优的过渡轨迹。作者对非线性动力学特性的捕捉非常敏锐，并且有效地利用了现代计算能力来求解高维度的优化问题，这代表了该领域的研究前沿。尤其值得称赞的是，全书的叙事结构非常严谨，从基础动力学出发，逐步构建起复杂的协调策略，脉络清晰，层层递进。读罢此书，感觉自己对如何赋予一个复杂的机械体以“智能运动感”有了更深刻的理解，它无疑是指导未来垂直起降技术发展方向的重要参考文献。

评分☆☆☆☆☆

从另一个角度来看，这本书的价值在于它成功地搭建了一座连接理论数学与实际工程应用的桥梁。它并没有沉溺于过分抽象的理论构建，而是始终围绕着“运动协调”这一核心目标，系统性地探讨了如何让一个原本不稳定、欠驱动的机械系统，在三维空间中实现精确、高效、安全的操作。作者对各种控制律——从经典的PID到先进的鲁棒控制和自适应控制——的适用性和局限性进行了鞭辟入里的对比分析，这种批判性的视角非常宝贵。特别是在讨论多旋翼和倾转旋翼构型下的控制解耦问题时，作者提出的解决方案不仅具有创新性，而且在可实现性上做了极佳的平衡。这本书的排版和图示也值得称赞，复杂的矢量图和控制框图清晰明了，极大地帮助了读者对复杂系统的内部运作机制进行可视化理解。读完后，我感觉自己对“优雅的飞行控制”有了更深层次的敬意。

评分☆☆☆☆☆

这部作品的阅读体验就像是在跟随一位经验丰富的老飞行员进行一次深入的“地面学校”培训，只是这次的教员是用文字构建了一个数字化的模拟环境。我注意到作者在构建运动协调框架时，采用了非常现代化的控制理论视角，例如模型预测控制（MPC）在处理复杂约束环境下的应用，这使得整本书的理论前沿性非常强。那些关于传感器融合和状态估计的部分，写得尤为细致，清晰地勾勒出了在GPS信号丢失或强风干扰等非理想条件下，如何维持无人机稳定性的关键技术路径。更让我感到惊喜的是，书中穿插了一些关于硬件在环（HIL）测试的经验分享，这些实际操作层面的细节，往往是教科书里缺失的，但却是工程实践中决定成败的关键。虽然部分章节的数学推导略显繁复，但一旦跟上节奏，就能体会到那种“拨云见日”的豁然开朗，感觉自己对无人机飞控系统的理解提升到了一个新的层次。这本书的深度和广度，绝对超越了普通的应用手册。

评分☆☆☆☆☆

这本书以一种非常引人入胜的方式，深入探讨了现代航空技术中一个极具挑战性的领域——垂直起降（VTOL）无人机的运动控制。作者显然是该领域的资深专家，其叙述的严谨性和逻辑的清晰度让人印象深刻。书中对空气动力学原理的阐释非常到位，特别是如何将复杂的物理模型转化为可操作的控制算法，这对于任何想深入理解VTOL系统动力学的人来说，都是一份宝贵的财富。我尤其欣赏作者在处理跨模态切换（即从悬停到前飞，再到垂直降落的平滑过渡）时所展现的精妙设计思路。他们没有仅仅停留在理论层面，而是结合了大量的仿真数据和实际工程案例，使得抽象的数学模型变得直观可感。对于初学者来说，可能需要一定的背景知识才能完全消化其中的精髓，但对于已经有一定基础的研究人员和工程师而言，这本书无疑是一本能够激发新思维、提供实用解决方案的工具书。它不仅仅是关于“如何做”的指南，更重要的是解释了“为什么这样最好”背后的深层原理。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我带来的最大冲击是它对于“鲁棒性”和“容错性”的强调。在当前无人机应用越来越广泛，尤其是在城市环境和基础设施检查等关键任务中，系统可靠性是第一要务。作者没有避开最棘手的问题，而是直面了模型不确定性、执行器饱和以及外部扰动对运动协调的负面影响。他们提出的那些基于滑模控制或自适应补偿机制的设计，展现了极高的工程智慧，目的就是要确保无人机在“意料之外”的情况下依然能够保持可控。这使得这本书不仅仅是一本学术专著，更像是一份极具前瞻性的安全指南。对于那些负责关键任务无人机系统集成的工程师来说，这本书中关于不确定性处理的章节，是必读的“定心丸”。它教会我们，真正的运动协调，是在混乱中创造秩序的能力。