垂直起降無人機的運動協調 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[加] 阿夫德斯塞米德(AbdelkaderAbde 著

圖書標籤:

• 無人機
• 垂直起降
• 運動控製
• 協調控製
• 飛行器
• 自穩控製
• 嵌入式係統
• 算法
• 控製理論
• 機器人學

店鋪： 文軒網旗艦店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118101973

商品編碼：1675440158

齣版時間：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 譯 定  價:86 齣 版 社:國防工業齣版社 齣版日期:2015年01月01日 頁  數:180 裝  幀:平裝 ISBN:9787118101973 ●第1章 引言
●1.1 協調方法綜述
●1.2 剛體係統的姿態同步
●1.3 垂直起降無人機的編隊控製
●1.4 通信時延處理
●1.5 本書概要
●第2章 背景和預備知識
●2.1 預備知識
●2.1.1 符號和定義
●2.1.2 有用的引理
●2.1.3 有界函數
●2.1.4 信息流建模
●2.2 姿態錶示和運動學
●2.2.1 姿態錶示
●2.2.2 姿態運動學
●2.3 垂直起降無人機的動力學模型
●2.3.1 四鏇翼飛行器舉例
●2.3.2 涵道風扇飛行器舉例
●2.3.3 垂直起降無人機的標稱模型
●第3章 剛體姿態同步
●部分目錄

內容簡介

本書介紹瞭應用於自主無人機編隊協同飛行方麵的控製設計新技術進展，特彆是用於姿態同步編隊協同方麵的控製設計新方法，另外還介紹瞭一些源於非綫性控製理論和多智能體係統理論的控製設計技術的概念,闡述瞭編隊控製的理論框架。

航天器姿態控製係統：從理論到實踐 本書聚焦於現代航天器姿態控製領域的前沿研究與工程應用，深入剖析瞭從基礎理論構建到復雜任務執行過程中的關鍵技術挑戰與解決方案。 本書旨在為航天動力學、控製工程、航空宇航科學等相關領域的科研人員、工程師及高年級學生提供一本全麵、深入且具有實踐指導意義的參考資料。 第一部分：航天器姿態動力學基礎與建模 本部分首先係統梳理瞭航天器姿態運動的物理基礎，為後續的控製係統設計奠定堅實的理論基礎。 第一章：剛體動力學與運動描述 本章詳細闡述瞭描述航天器姿態運動所需的數學工具。內容涵蓋瞭牛頓-歐拉方程在非慣性參考係下的推導，重點分析瞭外部擾動力矩（如地球引力梯度、大氣阻力、太陽光壓）對航天器姿態的影響。此外，對四元數、歐拉角、鏇轉矩陣等姿態錶示方法的優缺點進行瞭對比分析，特彆強調瞭四元數在避免萬嚮鎖問題上的優勢及其在姿態動力學方程中的應用。本章還引入瞭慣性測量單元（IMU）的測量模型，為姿態估計奠定基礎。 第二章：航天器動力學建模的復雜性 本章深入探討瞭高精度航天器姿態動力學建模所麵臨的復雜性。內容包括柔性結構對姿態動力學的影響（如大型展開式太陽帆闆、天綫陣列），以及內部運動部件（如反應輪、磁力矩器內部的轉子不平衡性）對係統動態特性的耦閤作用。詳細分析瞭非綫性動力學模型對控製係統設計的挑戰，並引入瞭簡化模型構建的原則和方法，例如準靜態近似和降階模型技術，以適應實時控製的需求。 第三章：外部環境擾動分析與量化 對影響航天器姿態穩定的關鍵外部因素進行瞭係統的量化分析。詳細討論瞭地磁場模型（如IGRF模型）在近地軌道中的應用，以及不同軌道高度和軌道傾角下，重力梯度矩的幅值和方嚮變化規律。對於微小衛星，大氣阻力矩是重要的擾動源，本章提供瞭大氣密度模型的選擇、阻力係數的估計方法，以及如何將這些外部載荷轉化為作用於航天器質心的精確力矩模型。 第二部分：先進姿態測量與狀態估計技術 精確、實時的姿態信息是姿態控製的先決條件。本部分專注於姿態敏感器件的工作原理、數據處理以及先進的狀態估計算法。 第四章：姿態敏感器件原理與性能分析 本章詳細介紹瞭當前主流的姿態敏感器件。磁力計（測量地磁場）、太陽敏感器（測量太陽位置）、星敏感器（星光識彆與跟蹤）的工作機理被深入剖析。重點討論瞭傳感器在不同工作環境下的誤差源（如偏置、標度因子誤差、隨機噪聲特性），並給齣瞭傳感器數據融閤前的預處理技術，例如卡爾曼濾波前的殘差分析和離群點檢測。 第五章：卡爾曼濾波與迭代濾波算法 本章的核心內容是姿態和角速度的狀態估計。係統闡述瞭擴展卡爾曼濾波（EKF）在綫性化誤差的補償機製，以及無跡卡爾曼濾波（UKF）在處理高度非綫性姿態動力學方麵的優勢。針對航天器高動態機動場景，還引入瞭粒子濾波（PF）等基於概率密度函數的估計方法，並探討瞭在資源受限的嵌入式係統中實現這些復雜濾波算法的優化策略。 第六章：智能傳感器數據融閤與互操作性 隨著慣性測量單元（IMU）的精度提升，如何有效地融閤來自IMU、GNSS接收機和光學傳感器的異構數據成為關鍵。本章探討瞭基於信息論的傳感器融閤框架，例如互補濾波（Complementary Filter）在快速響應和抑製高頻噪聲方麵的應用。同時，也討論瞭在衛星編隊飛行任務中，如何利用相對測量信息（如激光測距和視覺伺服）來增強整體係統對相對姿態的估計精度。 第三部分：高性能姿態控製律設計 本部分是全書的核心，專注於設計能夠滿足高精度、高魯棒性要求的反饋控製策略。 第七章：綫性化控製理論的應用與限製 本章從經典控製理論齣發，迴顧瞭PD控製、PID控製在姿態穩定任務中的應用。隨後，重點講解瞭將非綫性動力學在工作點附近綫性化後，利用極點配置、LQR（綫性二次型調節器）設計的具體步驟和參數整定方法。深入分析瞭綫性控製方法在麵對軌道衰減、有效載荷變化等係統參數攝動時的性能衰減機製。 第八章：非綫性控製技術：滑模與反饋綫性化 針對航天器姿態動力學的固有非綫性，本章詳細介紹瞭先進的非綫性控製方法。滑模變結構控製（SMC）因其對模型不確定性和外部擾動的強魯棒性，被係統地應用於姿態捕獲和跟蹤任務。本章推導瞭不同階次滑模麵的設計，並討論瞭如何解決抖振問題。同時，對基於微分幾何的反饋綫性化技術進行瞭介紹，展示瞭如何通過坐標變換和狀態反饋將非綫性係統轉化為可控的綫性係統。 第九章：先進魯棒與優化控製方法 為應對日益增長的高精度和高魯棒性需求，本章引入瞭現代控製理論的成果。詳細介紹瞭 $mathcal{H}_infty$ 控製的設計流程，用以確保在模型誤差存在範圍內的性能保證。針對需要精確跟蹤預定軌跡的深空探測器，提齣瞭模型預測控製（MPC）框架。MPC通過在綫滾動優化，能夠顯式地考慮執行器約束（如反應輪的飽和限製），從而實現最優的軌跡跟蹤和資源管理。 第四部分：執行器技術與任務應用案例 本部分將理論與工程實踐相結閤，探討瞭驅動係統及其在具體任務場景中的集成應用。 第十章：姿態執行器原理與飽和建模 詳細介紹瞭電磁扭矩器（磁力矩器）、反應輪（CMG/RW）、推力器等主流姿態執行器的物理原理、工作特性和局限性。特彆關注瞭執行器的飽和約束、積分限位以及壽命管理問題。為控製設計提供精確的執行器模型，包括磁力矩器的磁矩分配算法和反應輪的力矩耦閤建模。 第十一章：航天器姿態控製的典型任務剖析 本章通過具體案例展示瞭控製係統在復雜任務中的實現。內容包括： 1. 高精度對地觀測任務： 涉及凝視控製、指嚮約束與對地視綫保持的控製律設計。 2. 交會對接與編隊飛行： 重點分析相對導航信息融閤與相對姿態控製中的約束處理。 3. 深空變軌機動： 討論瞭在引力場微弱環境下，如何利用推力器進行高效的姿態機動與軌道修正的協同控製。 第十二章：控製係統集成與在軌標定 本章關注工程實現層麵。探討瞭控製算法到嵌入式硬件的移植優化，實時性驗證的流程，以及在軌參數辨識的重要性。詳細介紹瞭如何利用任務數據（如跟蹤站觀測數據、敏感器殘差數據）對動力學參數和傳感器偏差進行周期性的在軌標定，以維持係統長期工作的精度要求。 本書特色： 理論的係統性： 從基本動力學原理齣發，逐步引入非綫性控製和最優控製的前沿方法。 工程的實踐性： 每一章的理論推導後均附有詳細的工程考量和實際應用案例的分析。 數學的嚴謹性： 保持瞭高水平的數學描述，適閤深入研究者使用。 關注約束： 強調瞭航天器控製中不可避免的飽和、噪聲和模型不確定性對控製性能的影響及應對策略。

評分☆☆☆☆☆

這本書以一種非常引人入勝的方式，深入探討瞭現代航空技術中一個極具挑戰性的領域——垂直起降（VTOL）無人機的運動控製。作者顯然是該領域的資深專傢，其敘述的嚴謹性和邏輯的清晰度讓人印象深刻。書中對空氣動力學原理的闡釋非常到位，特彆是如何將復雜的物理模型轉化為可操作的控製算法，這對於任何想深入理解VTOL係統動力學的人來說，都是一份寶貴的財富。我尤其欣賞作者在處理跨模態切換（即從懸停到前飛，再到垂直降落的平滑過渡）時所展現的精妙設計思路。他們沒有僅僅停留在理論層麵，而是結閤瞭大量的仿真數據和實際工程案例，使得抽象的數學模型變得直觀可感。對於初學者來說，可能需要一定的背景知識纔能完全消化其中的精髓，但對於已經有一定基礎的研究人員和工程師而言，這本書無疑是一本能夠激發新思維、提供實用解決方案的工具書。它不僅僅是關於“如何做”的指南，更重要的是解釋瞭“為什麼這樣最好”背後的深層原理。

評分☆☆☆☆☆

我以一個資深飛行器設計師的身份來評價，這本書提供瞭一個非常紮實、全麵的知識框架，來審視和設計下一代垂直起降飛行器的飛控係統。它超越瞭簡單的姿態環和位置環的組閤，深入到瞭對任務級協調的探討，比如如何在復雜地形下自動規劃最優的過渡軌跡。作者對非綫性動力學特性的捕捉非常敏銳，並且有效地利用瞭現代計算能力來求解高維度的優化問題，這代錶瞭該領域的研究前沿。尤其值得稱贊的是，全書的敘事結構非常嚴謹，從基礎動力學齣發，逐步構建起復雜的協調策略，脈絡清晰，層層遞進。讀罷此書，感覺自己對如何賦予一個復雜的機械體以“智能運動感”有瞭更深刻的理解，它無疑是指導未來垂直起降技術發展方嚮的重要參考文獻。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我帶來的最大衝擊是它對於“魯棒性”和“容錯性”的強調。在當前無人機應用越來越廣泛，尤其是在城市環境和基礎設施檢查等關鍵任務中，係統可靠性是第一要務。作者沒有避開最棘手的問題，而是直麵瞭模型不確定性、執行器飽和以及外部擾動對運動協調的負麵影響。他們提齣的那些基於滑模控製或自適應補償機製的設計，展現瞭極高的工程智慧，目的就是要確保無人機在“意料之外”的情況下依然能夠保持可控。這使得這本書不僅僅是一本學術專著，更像是一份極具前瞻性的安全指南。對於那些負責關鍵任務無人機係統集成的工程師來說，這本書中關於不確定性處理的章節，是必讀的“定心丸”。它教會我們，真正的運動協調，是在混亂中創造秩序的能力。

評分☆☆☆☆☆

從另一個角度來看，這本書的價值在於它成功地搭建瞭一座連接理論數學與實際工程應用的橋梁。它並沒有沉溺於過分抽象的理論構建，而是始終圍繞著“運動協調”這一核心目標，係統性地探討瞭如何讓一個原本不穩定、欠驅動的機械係統，在三維空間中實現精確、高效、安全的操作。作者對各種控製律——從經典的PID到先進的魯棒控製和自適應控製——的適用性和局限性進行瞭鞭闢入裏的對比分析，這種批判性的視角非常寶貴。特彆是在討論多鏇翼和傾轉鏇翼構型下的控製解耦問題時，作者提齣的解決方案不僅具有創新性，而且在可實現性上做瞭極佳的平衡。這本書的排版和圖示也值得稱贊，復雜的矢量圖和控製框圖清晰明瞭，極大地幫助瞭讀者對復雜係統的內部運作機製進行可視化理解。讀完後，我感覺自己對“優雅的飛行控製”有瞭更深層次的敬意。

評分☆☆☆☆☆

這部作品的閱讀體驗就像是在跟隨一位經驗豐富的老飛行員進行一次深入的“地麵學校”培訓，隻是這次的教員是用文字構建瞭一個數字化的模擬環境。我注意到作者在構建運動協調框架時，采用瞭非常現代化的控製理論視角，例如模型預測控製（MPC）在處理復雜約束環境下的應用，這使得整本書的理論前沿性非常強。那些關於傳感器融閤和狀態估計的部分，寫得尤為細緻，清晰地勾勒齣瞭在GPS信號丟失或強風乾擾等非理想條件下，如何維持無人機穩定性的關鍵技術路徑。更讓我感到驚喜的是，書中穿插瞭一些關於硬件在環（HIL）測試的經驗分享，這些實際操作層麵的細節，往往是教科書裏缺失的，但卻是工程實踐中決定成敗的關鍵。雖然部分章節的數學推導略顯繁復，但一旦跟上節奏，就能體會到那種“撥雲見日”的豁然開朗，感覺自己對無人機飛控係統的理解提升到瞭一個新的層次。這本書的深度和廣度，絕對超越瞭普通的應用手冊。