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第1章 无人机概述 1

1.1 无人机的概念 1

1.1.1 飞行器的定义和分类 1

1.1.2 无人机的定义 3

1.2 多旋翼无人机的发展历程 5

1.3 典型多旋翼产品及其参数分析 7

1.4 多旋翼无人机系统的总体设计原则 9

1.5 实训一：多旋翼无人机参数对比调研分析 12

思维训练 12

第2章 多旋翼无人机的机械结构 13

2.1 无人机机身结构 13

2.1.1 无人机结构的一般要求 14

2.1.2 无人机机身结构所采用的主要材料 15

2.1.3 机臂结构与刚度 17

2.1.4 实训二：机臂的材料与尺寸选择 21

2.1.5 机舱及起落架的结构 24

2.2 飞行器机身减振 26

2.2.1 多旋翼无人机的振动源 27

2.2.2 自驾仪的减振措施 30

2.2.3 实训三：螺旋桨的静平衡及减振垫的选择 36

2.2.4 实训四：传感数据的频谱分析及数字滤波器设计 41

2.3 多旋翼无人机的惯量 42

2.3.1 重心 42

2.3.2 惯性矩及惯性积 43

2.3.3 实训五：多旋翼无人机的CAD设计 43

思维训练 44

第3章 多旋翼无人机动力系统 45

3.1 概述 45

3.2 电池 47

3.2.1 常见的二次电池 47

3.2.2 锂电池的使用 50

3.2.3 实训六：常见电池接口的识别及锂聚合物电池的充放电测试 51

3.3 螺旋桨 53

3.3.1 螺旋桨产生的力及力矩 53

3.3.2 多旋翼无人机常见的螺旋桨 55

3.3.3 实训七：螺旋桨升力、扭矩参数测试 58

3.4 无刷电机与电调 61

3.4.1 无刷直流电机的参数 61

3.4.2 外转子无刷直流电机的工作原理 63

3.4.3 电调 64

3.4.4 实训八：电机与螺旋桨的匹配测试实验 67

思维训练 68

第4章 多旋翼无人机传感系统 69

4.1 概述 69

4.2 惯性测量传感器 71

4.2.1 MEMS陀螺仪 72

4.2.2 MEMS加速度计 74

4.2.3 实训九：陀螺仪、加速度计数据的基本使用 78

4.3 磁强计 79

4.3.1 地磁场 79

4.3.2 三轴磁强计 80

4.3.3 实训十：三轴磁强计的校准与航向测量 85

4.4 位置速度测量传感器 86

4.4.1 GPS接收机模块 86

4.4.2 气压高度计 90

4.4.3 超声波测距模块 94

4.4.4 激光测距模块 96

4.4.5 光流测速模块 98

4.5 传感器数据的融合 100

4.5.1 AHRS航姿参考系统 100

4.5.2 GPS/INS组合导航 105

4.5.3 实训十一：AHRS算法实践实验 105

思维训练 106

第5章 多旋翼无人机飞行控制系统 107

5.1 概述 107

5.2 多旋翼无人机的控制原理 108

5.3 多旋翼无人机的动力学建模 113

实训十二：多旋翼无人机非线性系统建模 119

5.4 基于系统简化模型的多旋翼无人机飞行控制系统设计 120

5.4.1 四旋翼无人机QUAD X形布局的系统模型简化 120

5.4.2 四旋翼无人机QUAD X形布局的PID控制器设计 121

5.4.3 PID控制器参数的选择 124

5.4.4 实训十三：多旋翼无人机PID控制仿真 129

思维训练 130

第6章 多旋翼无人机的发展与展望 131

6.1 多旋翼无人机“硬件”的发展 131

6.2 多旋翼无人机“智能化”的发展 132

思维训练 136

附录 考虑旋翼挥舞运动的四旋翼无人机模型M文件 137

参考文献 144