前言
飛行，一直是人類的夢想。早在公元5 世紀，中國人就發(fā)明了風箏。15 世紀末，列奧納多.達.芬奇（Leonardo da Vinci ）手繪了大量的飛行機器和裝置的設計圖紙，包括撲翼飛機、固定翼滑翔機、旋翼機、降落傘等。1903 年12 月17 日，萊特兄弟（the Wright brothers）發(fā)明并成功制作了世界上第一架飛機，并且實現了有動力且重于空氣的飛行器的第一次有人操控飛行。自1903 年以來，在隨后的一百多年里，出現了各種各樣的飛行器。然而，只有極少數人能夠有機會駕駛并體驗操控飛行的樂趣。飛行器和駕駛員一直是那樣神秘，直到小型和微型多旋翼飛行器通過遙控玩具市場走近消費者。這主要歸功于這類飛行器的易用性、高可靠性以及易維護性。這些特性極大地提高了用戶的飛行體驗。目前，很難找到一種飛行器能夠像多旋翼飛行器那么簡單、易用。正因為如此，它們讓越來越多的
人真正操控并享受到飛行的樂趣。除了作為遙控玩具以外，多旋翼飛行器也作為無人機在一些商業(yè)領域發(fā)揮作用，包括監(jiān)控、搜尋以及救援，等等�，F在，多旋翼飛行器確立了其在小型無人機市場的主導地位。不管是定義為遙控玩具，還是無人機，多旋翼飛行器都可以作為一個合適的研究對象供學生們研究。這是因為學生有機會在較短的時間內經歷從設計到飛行測試的全過程。另一個原因就是，學生可以通過閱讀多旋翼飛行器開源代碼，并與業(yè)內人士交流、互動，來加深對基本原理的理解。
作為北京航空航天大學教學課程的一個成果，本書可以用作高年級本科生以及研究生教材，或者作為該領域研究的入門指南，還可以作為多旋翼飛行器工程師的自學教材。本書也可以作為其他無人飛行系統的補充閱讀材料。為了覆蓋多旋翼飛行器硬件和算法的大部分設計內容，本書共15 章，包括多旋翼飛行器硬件設計、建模、感知、控制和決策五部分。
本書旨在將多旋翼飛行器工程實踐中應用的設計原則組織起來，并強調基礎概念的重要性，具有以下四個突出的特點。
1．基礎性和實用性
本書包含多旋翼涉及的大部分內容，讀者只要具有電子工程學（Electronic Engineering，EE）背景，就能夠看懂這本書。多旋翼飛行器的組成從其功能和關鍵參數說起，多旋翼飛行器的設計從原理說起，建模從最基本的理論力學內容說起，狀態(tài)估計部分從傳感器的測量原理說起。在介紹多旋翼控制之前，本書介紹了可控性和穩(wěn)定性概念。另外，書中大部分方法具有基礎和實用性，并緊密結合目前經常使用的開源自駕儀。
2．綜合性和系統性
本書致力于全面介紹多旋翼飛行器系統，而不僅僅關注某一個技術點。通常在實際工作中，僅僅了解某個技術點不能滿足用戶的需求，也無法解決復雜的實際問題。另一方面，通過相關技術的改進或者方案的改進，可以避免在單個技術點上下太多功夫。比如，通過傳感器或機械結構設計的改進，可以避免設計非常復雜的控制器來解決時滯和振動問題。對于一名大學生來說，掌握了基本的理論知識，如數學、空氣動力學、材料學、結構學、電子學、濾波優(yōu)化和控制理論等，就應當把這些知識融會貫通，努力使自己成為一名全棧式開發(fā)者。這也是本書希望達到的目的。
本書的準備和書寫對我來說是一個艱難的過程。幸運的是，軟件與控制實驗室從2007年開始就支持多旋翼飛行器的相關研究。那時，我還是一名學生（自2010年起，本人作為老師，留在實驗室繼續(xù)相關研究）。當時，張瑞峰和我全身心地投入到制作我們自己的四旋翼的工作中。這使我親身經歷了小型多旋翼飛行器的黃金發(fā)展時期。另外，開源自駕儀（如APM和PX4）的開發(fā)團隊無私地分享了他們的設計文檔，全世界的研究者們提供了大量的技術論文供我們參考。
更重要的是，北京航空航天大學可靠飛行控制研究組（http://rfly.buaa.edu.cn）的同學們給予了熱忱的支持和幫助。非常感謝任錦瑞、趙峙堯、杜光勛、戴訓華、魏子博、鄧恒、史東杰、蔡陽光、顏江、董洪信、傅嘉寧、郭正龍、張婧、駱遙、鄭帥勇、張小威、馬海彪、張賀鵬和杜百會為本書準備材料，審閱了每個章節(jié)，并且對相關內容進行仿真。我要感謝我的同事奚知宇副教授、 研究生Usman Arif、HannaTereshchenko和本科生肖昆，他們校對了書稿并提出了很好的修改建議。
我還想感謝北京航空航天大學的霍偉教授、李大偉高級工程師、大疆創(chuàng)新科技的于云，以及中航工業(yè)信息技術中心的朱亮博士，他們對書中內容提出了寶貴的意見和建議。本書曾在北京航空航天大學和中國人民解放軍國防科學技術大學以講義的形式使用，學生們提供了非常寶貴的反饋意見，在此一并感謝。最后，感謝郭祥為本書每章封面精心制作了插畫。
全權
于北京
2016年12月
中文序
多旋翼飛行器因其易用性、高可靠性以及易維護性，在軍用和民用領域應用廣泛�？v觀多旋翼飛行器在工業(yè)界的發(fā)展歷史，德國的公司主導了早期的發(fā)展；之后，特別是從2013 年開始，中國獲得了多旋翼飛行器發(fā)展的主導地位。在國內，一大批航模愛好者、不同領域的軟/硬件工程師和飛行控制專業(yè)人才紛紛加入，圍繞多旋翼飛行器的相關創(chuàng)意、技術、產品、應用、投資和政策等層出不窮，可以說，當今中國是世界上微小型多旋翼飛行器研發(fā)最活躍的國家。
多旋翼飛行器在行業(yè)應用中的高速發(fā)展離不開開源飛控的支持。無論是借助開源飛控，還是全自主開發(fā)，都需要研發(fā)者對多旋翼飛行器設計、建模、感知、控制和決策等全面掌握，才能夠真正將飛行器做好。然而，目前微小型飛行器開發(fā)不少始于小微企業(yè)，與傳統的航空院所不同，小微企業(yè)存在人員少、經驗少和資源少等問題，因此業(yè)內迫切需要一大批能夠挑起大梁的總工程師和全棧式工程師。
人才缺乏的一個重要原因是多旋翼飛行器發(fā)展太快，而相應的教材和課程沒有跟進。在這種形式下，作者于2015 年年初開始準備課程，于2016 年上半年在北京航空航天大學開課，并于2017 年3 月推出了網絡公開課（MOOC），并在課題組網站http://rfly.buaa.edu.cn/course 發(fā)布中英文課件。與此同時，英文教科書一直在急鑼密鼓而持續(xù)地撰寫和修訂。在英文書稿基本定稿的情況下，考慮到讓國內更多同行能夠及時和更方便地閱讀，作者邀請杜光勛博士負責中文翻譯工作，并于2016 年9 月在北京航空航天大學可靠飛行控制研究組內展開。具體的翻譯工作安排為：杜光勛博士負責第1 章、第10 章和第12 章，趙峙堯負責第13.15 章，戴訓華負責第2.4 章，任錦瑞負責第5 章、第6 章和第11 章，鄧恒負責第7.9 章，由杜光勛博士統稿。他們花費了大量的時間和巨大的心血，在翻譯的同時給本書提出了很多有益的反饋，在此我表示衷心的感謝。可靠飛行控制研究組的史東杰、蔡陽光、顏江、傅嘉寧、郭正龍、張婧、駱遙、馬海彪、張賀鵬、杜百會、董科等同學也參與了中文翻譯和校對工作，這里對他們也深表感謝。
由于本書跨度較大，涉及較多新的專業(yè)詞匯及新的概念，加上作者和組內同學水平有限，書中若有不當之處，懇請讀者指正（請發(fā)郵件至qq buaa@buaa.edu.cn）。我們會不斷改進，精益求精，為中國的航空事業(yè)貢獻自己的一份力量。
全權
于加拿大多倫多
2017年12月
目錄
第1 章緒論........................................................................... 1
1.1 基本概念..................................................................... 2
1.1.1 常見飛行器分類........................................................... 2
1.1.2 無人駕駛飛機和航空模型飛機..............................................4
1.2 多旋翼遙控和性能評估.......................................................5
1.2.1 遙控.....................................................................5
1.2.2 性能評估.................................................................9
1.2.3 瓶頸.................................................................11
1.3 多旋翼發(fā)展歷史.................................................................11
1.3.1 休眠期.................................................................12
1.3.2 復蘇期.................................................................13
1.3.3 發(fā)展期.................................................................14
1.3.4 活躍期.................................................................15
1.3.5 爆發(fā)期.................................................................16
1.3.6 評注................................................................. 19
1.4 本書的目的和寫作結構.................................................................19
1.4.1 本書的目的.................................................................19
1.4.2 寫作結構.................................................................20
習題1.................................................................23
參考文獻.................................................................23
第一篇設計篇
第2 章基本組成.................................................................... 28
2.1 總體介紹.................................................................... 29
2.2 機架.................................................................... 31
2.2.1 機身....................................................................31
2.2.2 起落架....................................................................32
2.2.3 涵道....................................................................32
2.3 動力系統.................................................................... 33
2.3.1 螺旋槳....................................................................33
2.3.2 電機....................................................................36
2.3.3 電調....................................................................39
2.3.4 電池....................................................................40
2.4 指揮控制系統....................................................................42
2.4.1 遙控器和接收機....................................................................42
2.4.2 自駕儀....................................................................44
2.4.3 地面站....................................................................47
2.4.4 數傳電臺.................................................................... 47
本章小結......................................................................... 48
習題2..................................................................49
參考文獻......................................................................... 49
第3 章機架設計......................................................................... 50
3.1 布局設計.................................................................... 51
3.1.1 機架布局....................................................................51
3.1.2 氣動布局....................................................................58
3.2 結構設計.................................................................... 59
3.2.1 機架結構設計原則....................................................................59
3.2.2 減振考慮....................................................................59
3.2.3 減噪考慮....................................................................61
本章小結......................................................................... 62
習題3......................................................................... 63
參考文獻......................................................................... 63
第4 章動力系統建模和估算....................................................................64
4.1 問題描述..........
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