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第1章 绪论1

1.1 轻型无人直升机发展简史及概述1

1.1.1 轻型无人直升机1

1.1.2 研究技术难点及控制方法2

1.1.3 无人直升机常用建模与辨识方法7

1.1.4 直升机的基本理论11

1.2 直升机旋翼气动特性15

1.2.1 直升机的组成15

1.2.2 旋翼系统的结构16

1.2.3 旋翼的类型17

1.2.4 旋翼基本参数18

1.2.5 旋翼基本空气动力特性19

1.3 桨叶的挥舞运动22

1.3.1 垂直飞行的均匀挥舞22

1.3.2 前飞时的周期挥舞23

1.3.3 挥舞系数的物理解释24

第2章 轻型无人直升机的基本特性27

2.1 引言27

2.2 相关坐标系及特征角度27

2.2.1 地面坐标系28

2.2.2 机体坐标系28

2.2.3 速度轴系及迎角和侧滑角29

2.2.4 桨轴系29

2.2.5 各坐标系之间的转换关系29

2.2.6 作用于直升机上的气动力31

2.3 轻型无人直升机系统原理33

2.3.1 主旋翼操纵机构33

2.3.2 陀螺仪和尾桨33

2.3.3 油门控制34

2.3.4 舵机35

2.4 基本动力学模型36

2.5 主旋翼系统38

2.5.1 主旋翼力和力矩39

2.5.2 Bell-Hiller稳定小翼41

2.5.3 主旋翼系统动力学特性42

2.6 尾旋翼系统45

2.6.1 尾旋翼力和力矩45

2.6.2 偏航阻尼器46

2.6.3 尾旋翼系统动力学模型47

2.7 辅助机体部件48

2.7.1 动力系统48

2.7.2 机身和尾翼48

2.8 动力学模型结构49

第3章 轻型无人机运动方程52

3.1 直升机的稳定性与操纵性52

3.1.1 纵向静稳定性52

3.1.2 航向静稳定性54

3.1.3 横滚静稳定性55

3.1.4 直升机的阻尼特性56

3.1.5 直升机的操纵性57

3.2 微小型无人直升机悬停状态的配平计算57

3.2.1 悬停状态的平衡方程58

3.2.2 悬停状态的配平计算58

3.2.3 配平结果验证和分析60

3.3 直升机的平衡动力学60

3.3.1 直升机的平衡方程60

3.3.2 直升机悬停时的平衡61

3.3.3 直升机平飞时的平衡65

3.4 直升机运动方程65

3.4.1 全量运动方程65

3.4.2 小扰动线性化方程67

3.4.3 自然直升机性能分析70

3.5 小型无人直升机动力学建模及物理特性分析77

3.5.1 直升机增稳动力学结构78

3.5.2 数学模型的建立79

3.5.3 增稳动力学的状态空间模型81

3.5.4 小型直升机增稳动力学的结构82

3.5.5 关于增稳动力学结构模型的物理分析82

第4章 敏感装置实验原理88

4.1 ADIS16350简介88

4.2 XW-IMU7200简介90

4.3 惯性器件指标及其测试方法94

4.3.1 陀螺仪指标体系94

4.3.2 加速度计指标体系95

4.3.3 惯性器件的测试方法95

4.4 惯性器件误差模型97

4.4.1 陀螺仪误差模型97

4.4.2 加速度计误差模型98

4.4.3 惯性器件随机漂移模型98

4.5 三轴加速度计标定方法99

4.5.1 标定原理99

4.5.2 标定实验流程100

4.5.3 六位置法标定系数的计算100

4.5.4 标定实验数据分析101

4.6 三轴陀螺标定方法101

4.6.1 标定原理102

4.6.2 标定实验流程102

4.6.3 标定注意事项103

4.6.4 标定实验数据分析103

4.7 捷联惯导解算方法104

4.7.1 捷联惯导解算原理104

4.7.2 捷联矩阵的求取105

4.7.3 导航方程及其计算流程106

4.7.4 小结109

第5章 执行机构实验原理110

5.1 空气舵工作原理110

5.1.1 指标与要求111

5.1.2 舵机112

5.2 舵系统响应测试原理115

5.2.1 时域响应法115

5.2.2 频域响应法118

5.2.3 舵系统传递函数及其特性分析119

5.3 舵系统性能测试实验121

5.3.1 舵系统极性测试121

5.3.2 舵机模型的时域响应辨识实验122

5.3.3 舵机模型的频域响应辨识实验124

第6章 频域响应辨识127

6.1 系统辨识基础127

6.2 系统辨识的方法127

6.3 CIFER介绍128

6.4 扫频实验设计133

6.4.1 传递函数对象选择133

6.4.2 实验流程与步骤133

6.4.3 数据预处理134

6.5 CIFER建模实现135

6.6 对象辨识分析140

6.6.1 辨识结果及验证140

6.6.2 特征根与稳定性分析144

6.6.3 频率特性分析146

6.6.4 分析结果总结147

第7章 飞行控制律设计148

7.1 对象特性分析148

7.1.1 开环稳定性148

7.1.2 耦合性148

7.1.3 频率特性151

7.2 增稳控制律设计151

7.2.1 俯仰通道增稳控制律设计152

7.2.2 滚转通道增稳控制律设计157

7.2.3 三种增稳方案对比161

7.3 姿态控制律设计164

7.3.1 俯仰角控制律设计164

7.3.2 滚转角控制律设计165

7.4 基于姿态角阻尼内回路的位置控制律设计166

7.4.1 控制结构166

7.4.2 控制参数设计166

7.5 基于姿态角指令内回路的位置控制律设计171

7.5.1 控制结构171

7.5.2 控制参数设计171

7.6 基于角速率阻尼内回路的位置控制律设计172

7.6.1 控制结构172

7.6.2 控制参数设计172

7.7 基于地速控制的位置控制律设计173

7.7.1 控制结构173

7.7.2 控制参数设计173

7.8 四种位置控制方案对比175

7.8.1 控制结构对比175

7.8.2 控制效果对比176

7.9 高度控制177

7.9.1 控制需求分析177

7.9.2 控制律设计178

7.10 航向控制183

7.10.1 控制需求分析183

7.10.2 控制结构183

7.10.3 控制律设计184

参考文献188