《无人机导航与控制》唐大全，鹿珂珂编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《无人机导航与控制》

【作　者】唐大全，鹿珂珂编

【丛书名】无人驾驶航空器系统工程专业系列教材

【页 数】 255

【出版社】 北京：北京航空航天大学出版社 , 2021.10

【ISBN号】978-7-5124-3584-1

【价 格】56.00

【分 类】无人驾驶飞机-无线电导航-无人驾驶飞机-飞行控制

【参考文献】 唐大全，鹿珂珂编. 无人机导航与控制. 北京：北京航空航天大学出版社, 2021.10.

图书封面：

图书目录：

《无人机导航与控制》内容提要：

导航系统和飞行控制系统是无人机的重要组成部分，是决定无人机能否正常飞行并完成预定任务的关键设备，也是无人机区别于普通遥控飞行器的标志性装置。本书首先介绍飞行器导航和飞行控制的原理，然后讲述无人机导航系统、飞行控制与管理系统的功能、组成、工作过程及操作使用等。本书可作为高等院校无人驾驶航空器系统工程专业本科生的教材，也可作为无人机操控人员及有人机相关专业本科生、飞行员和技术保障人员的参考书。

《无人机导航与控制》内容试读

第1章绪论

“无人机”是无人驾驶飞行器的简称，其英文缩写为UAV(Unmanned Aerial Vehicle)。和有人驾驶的飞机不同，无人机是一种由无线电遥控设备和（或）机上控制装置操纵的不载人航空器。无人机作为一种新型作战平台，已经在侦察监视、电子对抗、通信中继等任务领域发挥了重要作用，成为军队作战能力新的增长点。随着飞行器相关技术和人工智能的发展，新型无人飞行器、新的无人机作战使用方式不断涌现，对无人机的导航与飞行控制提出了更新、更高的要求。本章首先简要介绍无人机系统的分类、组成，然后讲述与无人机相关的导航技术和飞行控制技术的概念及发展。

1.1无人机系统概述

1.1.1无人机和无人机系统的概念

无人机的定义有多种，但都强调机上无人驾驶、具备自主飞行能力和一定的载荷能力，而且无人机一般是可重复使用的。这些都是无人机有别于航模和导弹的显著特点。简要地说，无人机是一种机上无人操纵、能自主飞行、具有一定载荷能力、可反复使用的航空器。

“无人机”一词主要指无人飞行器平台。无人机系统则是由无人机平台及任务载荷、数据链、发射与回收装置、控制站、保障与维护系统等组成的，能完成特定任务的一组装备。一套无人机系统可包含若干架无人机。

无人机根据使用领域可分为军用、民用两大类。民用无人机是从事民用领域飞行活动的无机载驾驶员操纵的航空器，分为工业级和消费级两种。消费级无人机是针对个人或家庭使用的、可单人操控的微小型低成本无人机，一般具有拍摄功能，主要用于娱乐。工业级无人机则是针对企业、政府公共服务用的无人机，主要用于警务、消防、气象、农林植保、电力巡线、快递业务、摄影、广告等。民用无人机一般对于飞行器的飞行速度、高度和航程等要求较低，但对于无人机系统的综合成本及操作人员的培训有较高要求，因此需要形成成熟的产业链，提供尽可能低廉的零部件和技术支持服务。

军用无人机是用于军事目的的无人机，是随着自动化、信息化等技术及无人机系统技术不断进步而发展起来的高性能信息化武器装备，对提高战场空间感知、高风险目标突防、通信导航支援、电子战、敌防空系统压制、固定和移动目标攻击、联合作战等能力起着重要作用，其在现代战争中的地位十分突出。随着高新技术在航空领域的广泛应用以及现代战争的需要，军用无人机的应用范围和作战性能将不断地提高和扩展。尽管从目前的实际情况来看，无人机不可能很快取代轰炸机、战斗机等有人驾驶飞机，但无人机与有人驾驶飞机的配合使用将进一步提高攻防能力和作战灵活性，使战争的形态发生变化。目前，世界各国军用无人机的发展很快，已部署服役、研制和试验了多种类型的军用无人机。据报道，早在2015年之前，全球军用无人机已发展到了近三百种型号，总数达3万架左右。有媒体预测，到2023年中国将生产42000架军用无人机，销售额将达100亿美元。

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无人机导航与控制

鉴于军用无人机技术水平高、飞行器平台种类多，本书主要讲述军用无人机导航和飞行控制的原理及相关设备的操作，其中的导航、飞行控制方法也应用于许多民用无人机上。

1.1.2军用无人机的分类

当前军用无人机的种类繁多，分类方法也比较多。现主要从以下三个方面对当前军用无人机进行归类。

1.根据飞行器平台分类

根据飞行器平台构型来分类，无人机主要有固定翼无人机和旋翼无人机两大平台，其他小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。

旋翼无人机是指通过在空气中旋转螺旋桨产生足够的升力从而实现飞行的一类无人机，可分为常规的无人直升机和多旋翼无人机两种类型。常规的直升机通过改变桨距和桨盘的倾斜角来实现飞行控制，而多旋翼无人机则通过改变各旋翼的转速进行飞行控制。

目前，军用无人机以固定翼无人机和无人直升机为主。固定翼无人机的最大特点是飞行速度快。而无人直升机是灵活性很强的无人机平台，可以原地垂直起降和悬停。

2.根据续航时间或航程分类

根据航程、活动半径、续航时间和飞行高度不同，军用无人机可分为长航时无人机（也称战略无人机，如美国的“捕食者”、以色列的“搜捕者”等)、中程无人机（如美国的50型低空无人机)、短程无人机（如以色列的“先锋”、美国与以色列联合研制的“猎犬”等）和近程无人机（如以

色列的“微V型”无人机)。

长航时无人机主要用于战区级使用，由联合部队指挥官通过卫星通信和中继来统一控制与指挥，对战场覆盖区域大，图像分辨率高，一般在固定基地起降。而短、近程无人机由基层部队指挥官实施控制与指挥，侧重战场特定区域，部署灵活，主要提供视频图像。

长航时无人机可向空中、地面和海上武装力量提供几乎是实时的侦察图像和信号情报数据。与性能相当的有人机相比，长航时无人机的航程是有人机的若干倍，但花费相对较少。与中小型无人机相比，一架大型长航时无人机采集的信息相当于十余架较小的中等飞行高度的无人机系统的总和。

3.根据军事用途分类

根据军事用途分类，无人机可分为以下几类：

①靶机。模拟无人机、导弹和其他各种飞行器的飞行状态。主要用于鉴定各种航（防）空兵器的性能和训练战斗机飞行员、防空兵器操作员。图1-1-1所示为某型舰载靶机。

②侦察机。进行战略、战役和战术侦察，监视战场，为部队行动提供情报。侦察监视无人机是目前门类比较齐全，并在实战中大量应用的无人机，如美国的“全球鹰”无人侦察机、“暗星”隐身无人侦察机、“捕食者”无人侦察机、“骑士”无人侦察机等。

③诱饵无人机。诱使敌雷达等电子侦察设备开机，获取有关信息；模拟显示假目标，引诱敌防空兵器射击，吸引敌火力，掩护己方机群突防。

④电子对抗无人机。分为电子侦察和电子干扰无人机，前者用来收集敌方的通信情报及电子情报，例如瑞安公司的14？系列无人机；后者用来对敌方的通信系统进行电子干扰，如美国的air-Exjam无人机。

⑤攻击无人机。又称无人战斗机，可攻击、拦截地面、水面和空中目标。攻击无人机携带

第1章绪论

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小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹，可对敌雷达、通信指挥设备、坦克等重要目标实施攻击和拦截处于助推段的战术导弹。目前无人攻击机大多是空对地（舰）型的。空对空无人攻击机还处于试验研究阶段。一般来说，攻击型无人机都具有一定的侦察能力，既能执行侦察、又能进行打击的无人机称为“察打一体无人机”。图1-1-2所示为著名的察打一体无人机一美国“捕食者”无人机。

图1-1-1舰载靶机

图1-1-2美国M-1“捕食者"(Predator)无人机

提高制导精度和改进战斗部是无人战斗机武器系统发展的关键，小口径智能炸弹和低成本自主攻击系统将是无人战斗机目前最理想的武器。高功率微波和激光等能束武器因其致命性和精准性，将是未来无人战斗机最有效的武器。

⑥通信中继无人机。利用无人机向其他军用机或陆、海军传送图像等信号，一般用安装了超高频和甚高频无线电通信设备的无人机进行中继通信。

⑦其他用途的无人机。无人机还可以用于目标鉴别、激光照射、远程数据传递的空中中继站、反潜、炮火校正和远方高空大气的测量以及对化学、细菌污染和核辐射的侦察等。

无人机的分类方法还有很多，例如，可根据无人机起降平台的不同将无人机分为舰载无人机、陆基无人机，还可分为固定翼无人机和旋翼无人机、无人直升机等。图1-1-3所示为美

国X-47B试验型无人战斗航空器(UCAV)。

图1-1-3X-47B舰载无人机

图1-1-4所示为美国MQ-8A“火力侦察兵”无人直升机，图1-1-5所示为奥地利西

贝尔(Schiebel)公司研制的S-100型无人直升机。

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无人机导航与控制

图1-1-4美国MQ-8A“火力侦察兵”无人直升机

图1-1-5S-100型无人直升机

1.1.3无人机系统的一般组成

目前的军用无人机一般都具有侦察、监视功能，因此无人机都配有侦察设备。完整的军用无人机系统一般由若干架无人机、指挥控制站（车）、链路地面站（车）、链路地面天线车、情报处

理车、维修检测车、作战指挥与模拟训练车、无人机运输车、差分GPS地面站和地面工装设备

等组成，分为飞行器分系统、任务设备分系统、测控与信息传输分系统、情报处理分系统、综合保障分系统等部分，对于具有攻击能力的无人机还有武器火控分系统。由于任务设备安装在飞行器（无人机）上，一些无人机的相关资料也把任务设备分系统作为飞行器分系统的一部分。

不同型号的无人机各分系统的组成不尽相同。典型的军用无人机系统的组成如图1一1一6所示。

典型无人机系统

无人飞行器

测控与信息

情报处理

综合保障

传输分系统

分系统

分系统

飞行器平台动力和燃油子系统飞行控制与管理子系统导航子系统电气子系统起落架子系统数据链控制站任务设备分系统情报收集与显示情报处理与分发综合检测设备模拟训练器运输设备通用保障设备

图1-1-6典型无人机系统的组成

飞行器分系统包括飞行器平台（机体）、动力装置（也称动力和燃油子系统）、电气子系统、导航子系统、飞行控制与任务管理子系统及起落架子系统、应急回收伞子系统。

测控与信息传输分系统包括指挥控制站、视距数据链、卫星中继数据链。任务设备分系统包括合成孔经雷达、光电侦察设备/数码相机等。

情报处理分系统包括情报接收与显示装置、情报处理与分发装置等设备。

综合保障分系统包括检测维修设备、运输设备、通用保障设备（工具）及模拟训练器等。

第1章绪论

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安装在无人机机体中、为使无人机能正常飞行并完成一定任务而配备的各类电子、电气设备统称为无人机的机载设备，主要包括飞行器分系统中的电气子系统、导航子系统、飞行控制与任务管理子系统等设备，以及任务设备、测控与信息传输分系统中的机载设备等。

无人机电气子系统由主电源、备用电源、电源控制盒、电源插座和开关、航行灯、滤波电容等设备组成，主要功用是将发动机机械功率转换为电功率，并按预定控制要求向各机载系统设备安全供电。

导航子系统的主要功用是测量无人机的位置、速度、姿态、航向、角速度等运动参数，为无人机的飞行控制及任务设备的工作提供必要的信息。导航子系统与飞行控制系统联系密切，前者是后者的一个重要传感器。当前无人机的导航设备以惯性导航系统和卫星导航系统及二者构成的组合导航系统为主。

飞行控制与管理子系统由传感器、飞行控制与管理计算机、伺服作动控制设备三大部分以及嵌入其中的自检测模块组成。飞行控制与管理计算机是飞行控制与管理子系统的中枢，相当于人的大脑。伺服作动控制设备主要包括作动控制设备和舵机，其作用是使无人机操纵面(舵面、翼面、油门等)发生变化，以控制无人机的飞行状态，相当于人的手、脚。为提高系统的任务可靠性，这三大组成部分基本都采用了冗余技术，也就是采用了多余的部件或器件。传感器主要包括速率陀螺、垂直陀螺、磁力计、大气数据系统、组合导航系统、无线电高度表等，其作用相当于人的眼、耳等器官。这些传感器的作用如表1-1-1所列。

表1-1-1主要传感器的作用

序号

传感器名称

作用

备注

向飞行控制与管理子系统提供位置、速度、姿态

导航系统

独立子系统

和航向等导航信息

2

速率陀螺

测量飞行器转动角速度

属飞控与管理子系统

3

垂直陀螺

测量姿态角

属飞控与管理子系统

磁力计或磁传感器

用于测量（计算）磁航向

属飞控与管理子系统

5

大气数据系统

测量空速、迎角、侧滑角

属飞控与管理子系统

6

无线电高度表

测量高度

属飞控与管理子系统

由于组合导航系统可以提供飞行控制所需的所有导航参数，一些无人机的飞行控制系统采用组合导航系统作为主要传感器部件，并将大气数据系统、无线电高度表、磁传感器等作为辅助传感器，而不再配置速率陀螺、垂直陀螺等传感器。

1.2飞行控制技术及其发展

1.2.1自动飞行控制与飞行自动控制系统

自动飞行是在没有人参与的条件下由控制设备自动地控制飞行器（无人机、有人机、导弹等)按要求的状态飞行。实现飞行器自动飞行的装置称为飞行自动控制系统。

飞行控制技术是在有人机的基础上发展起来的。随着无人机的出现，飞行控制技术在无人机上得到了广泛应用。

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无人机导航与控制

在飞机问世之初，就有了实现自动控制飞行的设想。1891年，海诺姆·马克西姆在设计和制造飞机时安装了用于改善飞机纵向稳定性的飞行控制系统。该系统中用陀螺仪提供反馈信号，用伺服作动器带动升降舵偏转。这个设计在基本概念和手段上与现代飞行自动控制系统十分相似，但由于飞机在试飞中失事而未能使该设计成为现实。

20世纪初，有关空气动力学和飞行力学的理论还不成熟，自动控制理论也处于萌芽时期，加之飞机飞得较低、较慢、较近，人工驾驶基本上能胜任当时的飞行任务，采用自动飞行控制的必要性不是很大。

随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求也越来越高，不仅要求飞行距离远（运输机)、高度高（侦察机），而且要求飞机有良好的机动性（战斗机）。为减轻飞行员长时间飞行的疲劳，使飞行员集中精力战斗或执行其他任务，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行。随着无人飞行器（无人机、导弹等）的出现和应用，自动飞行控制成为不可回避的问题。

由于无人机上没有飞行员，人工控制无人机的飞行只能通过地面指控设备和链路设备进行，无人机飞行操作手（也就是无人机飞行员）对无人机飞行状态的掌握不够直观而且存在一定延时，这就使人工操作存在较大误差甚至会造成飞行事故，而且长时间工作会使飞行操作手产生疲劳。对于长时间飞行或需要精确控制飞行轨迹的情况，由人工控制无人机飞行显然是不可行的。因此，实现自动飞行对于无人机而言极为重要。

飞行自动控制系统的出现极大地减轻了远程轰炸机、运输机飞行员的工作强度，也是无人机能远距离、长时间飞行的重要基础。

自动飞行控制的基本原理是自动控制理论中的“反馈控制”原理。实现自动飞行必须通过自动控制系统形成回路，这些回路主要有舵回路、稳定回路和控制回路。不同回路具有不同的功能。

舵回路由舵机、放大器和反馈元件组成，其作用是改善舵机的性能。舵回路加上敏感元件和放大计算装置组成了飞行自动控制系统的核心一自动驾驶仪(Autopilot)。

自动驾驶仪可替代飞行员的眼睛、大脑和肢体。稳定回路是由自动驾驶仪与飞机组成的回路，主要功能是稳定飞机的姿态、航向，或者说稳定飞机的角运动。

稳定回路加上测量飞机位置的部件（导航系统）以及飞机运动学环节（表征飞机空间位置的几何关系)又组成一个更大的新回路，称为控制回路①。控制回路可以完成飞机飞行轨迹的控制，实现诸如沿预定航线巡航、编队飞行、自动起飞和下滑着陆等。

1.2.2飞机的增稳与飞行控制系统

飞行自动控制最基本的任务是姿态、航向和高度的稳定与控制，这部分功能由自动驾驶仪实现。

20世纪50年代以前，自动驾驶仪主要用于运输机和轰炸机。超声速飞机（主要是战斗机)问世后，其飞行速度、高度和过载等参数的变化范围（称为飞行包线）显著扩大，飞机自身的稳定性变差，仅靠飞行员操纵飞机较为困难。为解决这一问题，出现了由角速率陀螺、放大器和串联舵机组成的阻尼器，以增加飞机的稳定性。不过，阻尼器只是增大阻尼，改善了动稳定性。为增加静稳定性和改善操纵性，阻尼器发展成为增稳系统和控制增稳系统。

阻尼器、增稳系统的工作方式与自动驾驶仪不同。前两者从飞机起飞后就开始工作，这时

①导弹、运载火箭也有相同或类似的回路，一般称为制导回路。

···试读结束···