針對大眾創業、萬眾創新的新時代培養高級人才、創新型人才和復合型人才的需要，本書系統而全面地介紹了多旋翼無人機技術基礎的主要內容和知識體系。全書共分9章，主要內容包括概述、多旋翼無人機飛行原理和翼型設計、DIY 4旋翼無人機組裝、多旋翼無人機動力裝置、多旋翼無人機空氣動力學、多旋翼無人機結構動力學、多旋翼無人機氣動彈性力學、多旋翼無人機飛行控制技術和多旋翼無人機總體設計。每一章節*后都給出了該章的小結和習題。
本書取材來源于實踐，選材新穎、內容豐富、概念清楚易懂，具有很強的可操作性，既適合作為高等院校相關專業大學生的專業基礎課程教材，也適合作為相關專業研究生及從事多旋翼無人機科研、生產和培訓機構工作人員，以及廣大航模愛好者的學習培訓教材，對于希望全面了解多旋翼無人機知識的其他讀者，本書也是一本較好的參考讀物。
近年來，多旋翼無人機作為航空領域一枝新秀，引起了人們越來越多的關注和重視，風行全球，迅速成為新的創業、創新研究熱點。其產品在國內外市場上商機無限，世界各國掀起了一股研發和廣泛應用的熱潮。特別是屬于消費級的微型機，操作簡單、價格便宜，市場上有眾多適合個人自己動手組裝（DIY）的成套軟硬配件出售，只要自己動動手，經過簡單的組裝，就能實現每個人自幼就有的飛行夢想。但實際上，多旋翼無人機屬于一種電子自動化和智能化控制的高科技產品，技術含量相當高，其研制設計和應用發展等技術問題需要引起大家足夠的重視。作者緊密結合當前實際，根據自己40多年從事相關方面工作的經驗編寫了這本教材，系統全面地介紹了多旋翼無人機基本技術的方方面面，使學生對多旋翼無人機能有一個全面的認識。因此，本書的正式出版，既解決了教材缺乏的問題，也有助于同學們提高對大眾創業、萬眾創新精神的認識。
序言
前言多旋翼無人機，也稱為多旋翼無人直升機，是一種沒有搭載駕駛人員的旋翼飛行器，具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉等獨特飛行技能，在民用和軍用市場上都大有用武之地。在人類航空史上，多旋翼無人機從概念到應用，經歷了一段漫長的發展過程。近年來，多旋翼無人機作為航空產品領域的一枝新秀，以新穎的結構布局、獨特的飛行方式和廣泛的用途引起了人們越來越多的關注和重視，風行全球，迅速成為新的創業、創新研究熱點。特別是當這種簡單而又可實現的飛行可能糅合進了人們頭腦中從小就有的、總也揮之不去的飛行夢想時，就極大地激發起了大家對翱翔于藍天白云的渴望和激情。一時間，研究者、投資者和廣大的航模愛好者接踵而至，紛紛開始多旋翼無人機的研發、投資和使用，經過近5年起步階段的實驗研究、技術積累和市場摸索，多旋翼無人機大規模發展的序幕逐步被拉開。現在，多旋翼無人機在國內外市場上商機無限，世界各國掀起了一股研發和廣泛應用多旋翼無人機的熱潮，特別是屬于消費級的微型機，其操作簡單、價格便宜，市場上有眾多適合個人自己動手組裝（DIY）的成套軟硬配件出售，只要自己動動手，經過簡單的組裝，就能實現每個人自幼年就有的飛行夢想。遙望藍天，每天都有成千上萬架多旋翼無人機在空曠的田野上，在風景怡人的旅游勝地，在居民自家的后院或客廳中騰空而起，承載著人們的飛行夢想自由飛翔。多旋翼無人機的第一大特點是具有多個旋翼，它采用旋翼變速或槳葉變總距（無周期變距）的方式改變旋翼升力的大小，因而取消了傳統單旋翼直升機操縱系統中必不可少的自動傾斜器。多旋翼無人機通常都有4個或更多個旋翼，如4旋翼式、6旋翼式、8旋翼式、16旋翼式和32旋翼式等。多旋翼無人機的第二大特點是飛機上沒有搭載駕駛員，即機上無人。事實上，多旋翼無人機并不是真正離開了人，雖然機上確實沒有載人，但它卻離不開身在地面上駕駛操縱它的人（駕駛員）。因此，多旋翼無人機要想真正完成一項特定的任務，光靠能在天空中自由飛行的旋翼機本身還是不夠的，除了旋翼機及其攜帶的任務設備外，還需要有地面控制設備、數據通信設備、維護設備，以及指揮控制其必要的操作、維護人員等。因此，完整意義上的多旋翼無人機應稱為多旋翼無人機系統，它是一種閉環控制回路的人－機系統。本質上，多旋翼無人機屬于一種電子自動化和智能化控制的高科技產品，技術含量相當高，其研制設計和應用發展等問題需要引起大家足夠的重視。本書第一作者符長青有40多年的實踐經驗，其中有20多年從事直升機設計和研究，有20多年從事計算機軟件開發，近幾年來在廣東科技學院擔任專業課教師，有機會將工作實踐、教學經驗與理論研究相結合并完成了本書的編著工作。本書第二作者曹兵是遼寧天行健航空科技公司董事長，有多年從事多旋翼無人機研制和生產的工作經歷。本書取材來源于作者的工作實踐和專業知識，系統而又全面地介紹了多旋翼無人機基本技術的主要內容。在編著本書的過程中，作者得到了南京航空航天大學高正教授、張呈林教授、陳仁良教授、王華明教授的大力支持和幫助，他們提供了許多技術資料和編寫意見，作者借此機會表示衷心的感謝。與此同時，本書在編著過程中還得到了廣東科技學院副院長黃弢教授、計算機系主任曹文文教授，以及有關部門的領導、專家與同仁的大力支持與幫助，參考和引用了部分著作及文獻資料，在此表示深深的謝意。在編著本書的過程中，盡管作者付出了大量的艱苦努力，但由于學識有限，本書可能在許多方面存在不足，歡迎同行指正和交流（聯系方式fcq828@163.com）。作者十分希望能與國內同行攜手，大家一起共同努力，將我國多旋翼無人機發展水平推向一個新的高度。作者2016年9月
目錄
第1章概述
1.1與多旋翼無人機相關的基本概念
1.1.1基本的物理概念和定律
1.1.2系統論的基本概念
1.1.3控制論的基本概念
1.2多旋翼無人機系統的基本概念
1.2.1多旋翼無人機的定義
1.2.2多旋翼無人機系統及其飛行機組
1.3多旋翼無人機的構型、用途及分類
1.3.1多旋翼無人機的構型和用途
1.3.2多旋翼無人機的分類
1.4多旋翼無人機的發展歷程和市場前景
1.4.1多旋翼無人機的發展歷程
1.4.2多旋翼無人機市場
1.4.3多旋翼無人機的典型案例
1.5民用多旋翼無人機飛行管理
1.5.1航空空域的劃分
1.5.2與民用多旋翼無人機飛行相關的法律問題
1.5.3民用多旋翼無人機飛行管理文件
本章小結
習題
第2章多旋翼無人機的飛行原理和翼型設計
2.1多旋翼無人機的飛行原理和控制方式
2.1.1多旋翼無人機的飛行原理
2.1.2多旋翼無人機的飛行控制
2.2多旋翼無人機的特點和對比分析
2.2.1多旋翼無人機的特點
2.2.2多旋翼無人機的對比分析
2.3翼型的幾何參數和主要類型
2.3.1翼型的定義和幾何參數
2.3.2空氣在翼型表面的流動和壓力分布
2.3.3翼型的主要類型
2.4翼型空氣動力特性和影響因素
2.4.1翼型空氣動力特性
2.4.2影響翼型空氣動力的因素
2.4.3翼型的選擇
2.5多旋翼無人機飛行速度受限的原因和翼型設計
2.5.1多旋翼無人機飛行速度受限的主要原因
2.5.2多旋翼無人機槳葉翼型設計
本章小結
習題
第3章DIY 4旋翼無人機組裝
3.1DIY多旋翼無人機的基本概念
3.1.1DIY精神和DIY多旋翼無人機的定義
3.1.24旋翼無人機的組成和DIY步驟
3.2DIY 4旋翼無人機部件的要求和選擇
3.2.1DIY 4旋翼無人機部件的要求
3.2.2DIY 4旋翼無人機機架、旋翼與動力裝置的選擇
3.2.3DIY 4旋翼無人機自動駕駛儀的選擇
3.2.4DIY 4旋翼無人機傳感器的類型
3.2.5DIY 4旋翼無人機遙控系統的選擇
3.3DIY 4旋翼無人機的組裝
3.3.1DIY 4旋翼無人機組裝前的準備工作
3.3.2DIY 4旋翼無人機自制或組裝機架
3.3.3DIY 4旋翼無人機整體組裝前的準備
3.3.4DIY 4旋翼無人機的整體組裝
3.4DIY 4旋翼無人機的調試
3.4.1DIY 4旋翼無人機無槳調試
3.4.2DIY 4旋翼無人機有槳調試
3.5DIY 4旋翼無人機的操作練習
3.5.1飛行前的檢查工作
3.5.2DIY 4旋翼無人機基本操作練習
3.5.3DIY 4旋翼無人機日常飛行練習
3.5.4航模模擬器
3.6民用飛機的適航管理
本章小結
習題
第4章多旋翼無人機動力裝置
4.1多旋翼無人機動力裝置的基本概念
4.1.1多旋翼無人機發動機的分類、功用和要求
4.1.2多旋翼無人機動力裝置的組成
4.2直流電動機
4.2.1直流電動機的基本概念
4.2.2無刷直流電機
4.2.3有刷直流電機
4.2.4空心杯電機
4.3航空活塞式發動機
4.3.1航空活塞式發動機的類型和結構
4.3.2航空活塞式發動機的工作系統和原理
4.3.3旋轉活塞式發動機
4.3.4航空活塞式發動機的工作特性
4.4渦輪軸發動機
4.4.1渦輪軸發動機的分類和工作原理
4.4.2渦輪軸發動機的基本結構
4.4.3渦輪軸發動機的工作特性
4.4.4多旋翼無人機燃油發動機不同類型的比較
4.5多旋翼無人機燃油系統和滑油系統
4.5.1多旋翼無人機燃油系統
4.5.2多旋翼無人機滑油系統
4.6多旋翼無人機傳動系統
4.6.1多旋翼無人機傳動系統的結構和部件
4.6.2多旋翼無人機傳動系統的動力學和臨界轉速
4.6.3旋翼/動力/傳動系統的動力學問題
本章小結
習題
第5章多旋翼無人機空氣動力學
5.1旋翼飛行器空氣動力學的基本概念
5.1.1空氣動力學的基本概念
5.1.2旋翼飛行器空氣動力學的定義、內容和工具
5.2旋翼的幾何參數和工作原理
5.2.1旋翼的功用和幾何參數
5.2.2旋翼參數的無因次化
5.2.3旋翼的工作原理
5.3旋翼動量理論的基礎知識
5.3.1垂直飛行的動量理論
5.3.2前飛時的動量理論
5.4旋翼葉素理論的基礎知識
5.4.1垂直飛行的葉素理論
5.4.2前飛時的葉素理論
5.5旋翼經典渦流理論的基礎知識
5.5.1垂直飛行的經典渦流理論
5.5.2前飛時的經典渦流理論
5.6旋翼現代渦流理論的基礎知識
5.6.1懸停時旋翼自由尾跡分析
5.6.2前飛時旋翼自由尾跡分析
5.7旋翼CFD理論基礎知識
5.7.1計算流體力學的定義和特點
5.7.2旋翼流場的控制方程
5.7.3控制方程的離散化方法
本章小結
習題
第6章多旋翼無人機結構動力學
6.1多旋翼無人機結構動力學的基本概念
6.1.1多旋翼無人機結構動力學的定義和特點
6.1.2多旋翼無人機結構動力學的研究方法和模型
6.1.3多旋翼無人機振動的類型
6.1.4簡諧振動與諧波分析
6.1.5單自由度系統的自由振動
6.2多旋翼無人機旋翼結構動力學分析
6.2.1旋翼的結構形式
6.2.2多旋翼無人機的旋翼槳葉振動
6.2.3多旋翼無人機旋翼整體振型
6.3多旋翼無人機傳動系統結構的動力學分析
6.3.1多旋翼無人機傳動軸的臨界轉速
6.3.2多旋翼無人機傳動系統的扭轉振動
6.4多旋翼無人機機體結構動力學分析
6.4.1多旋翼無人機機體結構的類型和特點
6.4.2多旋翼無人機機體結構動力學的研究方法
6.4.3多旋翼無人機機體動力學有限元分析
本章小結
習題
第7章多旋翼無人機氣動彈性力學
7.1多旋翼無人機氣動彈性力學的基本概念
7.1.1多旋翼無人機氣動彈性力學的定義和特點
7.1.2非定常氣動力基礎
7.1.3非定常氣動力計算的常用方法
7.2旋翼槳葉運動自由度之間的耦合
7.2.1旋翼槳葉運動自由度耦合的基本概念
7.2.2旋翼槳葉運動自由度耦合的主要形態
7.3多旋翼無人機旋翼氣動彈性靜力學
7.3.1旋翼氣動彈性靜力學的基本概念
7.3.2旋翼槳葉發散的基本原理和臨界速度
7.4多旋翼無人機旋翼氣動彈性動力學
7.4.1旋翼槳葉顫振的基本概念
7.4.2旋翼槳葉的經典顫振
7.4.3旋翼槳葉的失速顫振
7.4.4旋翼槳葉其他類型的耦合穩定性分析
7.5多旋翼無人機旋翼與機體耦合氣動彈性穩定性
7.5.1旋翼機體耦合系統的動不穩定性
7.5.2旋翼機體耦合振動系統分析
本章小結
習題
第8章多旋翼無人機飛行控制技術
8.1多旋翼無人機飛行控制系統的基本概念
8.1.1多旋翼無人系統的基本概念
8.1.2多旋翼無人機飛行控制的基本概念
8.2多旋翼無人機飛行姿態的數學表示
8.2.1坐標系統與歐拉角
8.2.2旋轉矩陣表示方法
8.2.3四元數表示方法
8.2.4多旋翼無人機姿態表示方法的比較
8.3多旋翼無人機飛行動力學建模
8.3.1建模假設和模型結構
8.3.2多旋翼無人機剛體運動學模型和動力學模型
8.3.3多旋翼無人機控制分配模型
8.3.4多旋翼無人機飛行控制通道和線性簡化模型
8.4多旋翼無人機PID控制和卡爾曼濾波
8.4.1PID控制的基本概念
8.4.2PID參數調試
8.4.3卡爾曼濾波器
8.5多旋翼無人機的自動飛行控制
8.5.1飛行控制系統的總體結構和分層結構
8.5.2多旋翼無人機位置控制
8.5.3多旋翼無人機姿態控制
8.5.4多旋翼無人機控制分配
8.5.5多旋翼無人機動力控制
本章小結
習題
第9章多旋翼無人機總體設計
9.1多旋翼無人機設計的基本概念
9.1.1多旋翼無人機研制流程和設計定義
9.1.2多旋翼無人機設計的重要性、設計要求和原則
9.1.3多旋翼無人機設計任務和工作要求
9.2多旋翼無人機總體設計及后續過程
9.2.1多旋翼無人機總體設計定義和概念設計
9.2.2多旋翼無人機初步設計和總體設計特點
9.2.3多旋翼無人機詳細設計、設計定型和生產定型
9.3多旋翼無人機的類型分析與選擇
9.3.1多旋翼無人機的類型分析
9.3.2多旋翼無人機類型的選擇
9.4多旋翼無人機總體參數的分析與選擇
9.4.1多旋翼無人機旋翼參數的分析與選擇
9.4.2多旋翼無人機重量與動力參數的分析與選擇
9.5多旋翼無人機總體布局設計
9.5.1多旋翼無人機總體布局設計的任務和要求
9.5.2多旋翼無人機總體布局設計的內容
本章小結
習題
參考文獻
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