《无人机导航与通信技术》于坤林，刘肩山主编；谢志明，唐毅副主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《无人机导航与通信技术》

【作　者】于坤林，刘肩山主编；谢志明，唐毅副主编

【页 数】 250

【出版社】 北京：北京理工大学出版社 , 2022.01

【ISBN号】978-7-5763-0878-5

【价 格】75.00

【分 类】无人驾驶飞机-无线电导航-无人驾驶飞机-无线电通信

【参考文献】 于坤林，刘肩山主编；谢志明，唐毅副主编. 无人机导航与通信技术. 北京：北京理工大学出版社, 2022.01.

图书封面：

图书目录：

《无人机导航与通信技术》内容提要：

本书以学习者为中心进行教学设计和教材编写，共包括8个项目，涵盖了无人机主要的导航定位方法，项目以导航定位设备使用及系统排除故障为主要任务，站在学习者角度设计系列问题。全书内容包括无人机导航定位方法总体介绍；常用导航坐标系介绍；惯性导航系统工作原理及常见故障排除方法；地基无线电导航工作原理及导航定位设备使用方法；卫星导航定位工作原理、参数含义及设备使用方法；视觉导航系统工作原理及设备使用方法；组合导航系统实现及排除故障方法；无人机通信系统等。为了方便学习者加深理解，书中还提供了拓展阅读材料和巩固提高练习题。通过本书的学习，学习者能在掌握无人机导航定位的理论基础上，深入思考导航定位设备使用方法的规范性与合理性，并解决无人机使用过程中遇到的常见问题。本书可作为高等院校无人机应用技术、应用型本科院校无人机系统应用技术、无人机驾驶员培训等专业的相关课程教材；也可作为广大无人机导航定位技术爱好者的自学用书；同时也能供智能交通爱好者、无人机制造者、无人机运营人员和无人机驾驶员等提供学习参考。

《无人机导航与通信技术》内容试读

项目一

01

无人机导航定位方法

【知识目标】

1.掌握导航的基本概念和作用。

2.了解无人机的发展历程。

3.了解无人机导航技术的种类。

【能力目标】

学习并掌握资料收集的方法和小组合作学习的方法。

【素质目标】

1.在团队活动中培养与人交往、与人合作的能力，能够与他人共同解决问题，共同进步。

2.养成参与意识、服务意识、合作意识、效率意识和全局意识。

【教学导航】

本项目主要介绍导航的基本概念和无人机导航技术的种类。

【任务引入】

大疆T30植保无人机用到了哪些导航定位方法？

三【任务分析】

随着科技的发展，在各大领域都能看到无人机的身影，无人机正离普通人越来越近，也正在改变我们的生活方式，如我们已经可以享受到无人机送快递带来的便捷，欣赏到无人机灯光秀带来的视觉盛宴，体验到植保无人机助力乡村振兴时的科技感，更能通过无人机航拍领略祖国的壮美山河。而无人机的这些行业应用都离不开导航，导航在无人机飞行中扮演着重要的角色。

学习导航的基本概念和无人机导航技术的种类，便于我们了解无人机导航定位系统的性能。

1

相关知识】

■一、什么是导航？

“导航”一词，我们已耳熟能详，无论是秋天南归的大雁，还是草原上暮归的羊群，或是在森林中迷失方向、在广阔无边的大海航行、在陌生的城市旅行时的我们，都需要导航：而且，我们的人生同样也需要导航，我们自入学伊始，就需要规划好自己的大学生活，找准自己的位置，并朝着一个又一个的目标奋斗。

导航源于人类交通和军事活动对方位或位置识别的需求。自人类诞生以来，为了获得准确定位，拥有5000年灿烂历史文化的中华民族一直没有停止过探索的脚步。古人很早就掌握了通过北斗七星（图1-1）来辨别方位和季节的方法，古书《鹖冠子》就记载：“斗柄东指，天下皆春：斗柄南指，天下皆夏：斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”

斗柄南指

●天下皆夏

北七里

南

斗柄东指

天下皆春

斗柄西指

北厅

天下皆秋

●

北斗七是

斗柄北指蓝

天下皆冬

北

图1-1北斗七星

后来，古人还掌握了使用磁体来定向的方法，即指南针，在11世纪末，我国船舶开始使用指南针导航，而家喻户晓的郑和下西洋也使用过指南针导航。这一发明后来经阿拉伯传入欧洲，对欧洲的航海业乃至整个人类社会的文明进程，都产生了巨大影响。

另外，据传我国在三国时期就已经开始使用指南车（图1-2）来指示方向。它与利用地磁效应的指南针不同，是利用齿轮传动系统和离合装置来指明方向的一种机械装置，在特定条件下，无论车子转向何方，木人的手始终指向南方。

在国外，大航海时代的到来，推动了导航的发展，在哥伦布时代，使用的是磁罗盘导航：到了18世纪上半叶，在海洋中航行时，开始使用六分仪（图1-3），该装置能够用来测量船舶的经纬度。

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图1-2指南车

图1-3六分仪

到了近现代，人类发明的导航方法越来越多，如无线电导航、卫星导航、惯性导航、视觉导航、组合导航等，越来越多导航方法的应用，也反过来推动了人类文明的发展。

从上面人类导航的例子中，可以得出导航广义上的定义：引导各种运载体（飞机、船舶、车辆等)及个人按既定航线航行的过程，是保证运载体安全、准确地沿着选定路线，准时到达目的地的一种手段。

从狭义上来说，导航是确定运载体在某一时刻的位置、速度和姿态。作为无人机导航的感知单元，导航系统承担着无人机状态参量测量与估计的重任。

无人机导航即无人机获得自己当前（在某个参照系下）的位置、速度等信息，必要时还需要获得当前（相对于某个参照系）的姿态、姿态角速度等信息。因此，简要概括无人机导航的主要工作就是要“知道无人机在哪，知道无人机的姿态”，即解决的是“我在哪”的问题。

而容易与无人机导航概念相混淆的是无人机制导（图1-4）和无人机控制。无人机制导即无人机发现（或外部输入）目标的位置、速度等信息，并根据自己的位置、速度及内部性能和外部环境的约束条件，获得抵达目标所需的位置或速度指令。例如，按照规划的航路点飞行时，计算无人机径直或沿某个航线飞抵航路点的指令；采用基于

飞行器

计算机视觉目标跟踪的光学制导时，根据目标在视场中的位置（以及摄像头可能存在的离轴角)计算跟踪目标所需的过载或姿态角速度指令：而当预装地

目标路径

参考点

图中存在需要规避的障碍物或禁飞区时，根据无人机飞行性能计算可行的规避路线或速度指令。因此，简要概括制导的主要工作就是要“知道目标在哪，以及如何抵达目标”，即解决的是“要去哪”的问题。

图1-4无人机制导

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无人机控制是指无人机根据当前的速度、姿态等信息，通过执行机构作用来改变姿态、速度等参数，进而实现稳定飞行或跟踪制导指令。例如，当固定翼无人机需要爬升高度时，计算需要的俯仰角和俯仰角速度指令，以及为了让空速不至于大幅降低所需的油门指令：当沿着航线飞行，但是存在侧风时，计算所需的偏航角指令以利用侧滑抵消侧风影响：或者当多旋翼无人机的某个旋翼失效时，计算如何为剩余旋翼分配指令以尽可能实现稳定飞行。因此，简要概括控制的主要工作就是“改变飞行姿态，跟踪制导指令”，即解决的是“怎么去”的问题。

要实现无人机的自主飞行、顺利完成指定任务，需要飞行控制、导航与制导系统共同作用。对于无人机来说，在自动飞行控制系统的基础上，导航、制导和控制系统之间是相互联系的，它们之间的关系可以用图1-5中的框图来表示。

制导

控制

位置、

执行

速度

姿态

目标点位

指令

机树

执行相应动作

置和速度

指令

指

路径和速度

位置和速度

姿态控制器

无人机

规划

控制

位置

位置

角度、

速度

速度

角速度

二二二二二二

位置和姿态

位置、速度角

等估计

速度等传感器

导航

图1-5无人机导航、制导和控制系统

■二、无人机的发展历程

什么是无人机？无人机其实就是无人驾驶飞机的简称，缩写为“UAV”,是一种无

线电遥控的无人驾驶飞机。2016年，无人机作为消费电子类的重头戏，迅速点燃了整个消费市场，一时间家喻户晓。但是早期的无人机设计重点并不在民用方向，而是在军用方向。无人机的发展大概经历了以下3个阶段。

1.萌芽期

1917年，皮特·库柏(Peter Cooper)和埃尔默·A.斯佩里(Elmer A.Sperry)发明了第一台自动陀螺稳定器，这种装置能够使飞机保持平衡向前的飞行，无人飞行器自此诞

生。这项技术成果将美国海军寇蒂斯N-9型教练机成功改造为首架无线电控制的不载人

飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)。斯佩里空中鱼雷号(Sperry Aerial Torpedo)搭载约136kg的炸弹飞行50mile(1mile≈1.609km),但它从未参与实战（图1-6）。

1935年之前的空中飞行器飞不回起飞点，因此也就无法重复使用。蜂王号无人机的发明，使无人机能够回到起飞点，使这项技术更具有实际价值。蜂王号无人机(图1-7)最高飞行高度约为5182m,最高航速为160km/h,在英国皇家空军服役到1947年。蜂王号无人机的问世才是无人机真正开始的时代，可以说是近现代无人机历史

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上的“开山鼻祖”。随后，无人机被运用于各大战场，执行侦察任务。然而，由于当时的科技比较落后，导致无人机无法出色完成任务，所以逐步受到冷落，甚至被军方弃用

图1-6斯佩里空中鱼雷号

图1-7蜂王号无人机

第二次世界大战时，阿道夫·希特勒希望拥有攻击非军事目标的飞行炸弹，因此，德国工程师弗菜舍·福鲁则浩(Fieseler Flugzeuhau)于1944年设计了一架时速可达到756knm的无人机一复仇者一号(Vergeltungswaffe)(图I-8)，它是为攻击英伦列岛而设计，也是当代巡航导弹的先驱。复仇者一号载弹量比前代更大，经常搭载重达908kg的导弹。英国有900多人死于该型无人机之下，复仇者一号从弹射道发射后能按照预先设定的程序飞行240km。

由瑞安航空1951年制造的火蜂原型机XQ-2在4年后进行首次试飞。这架世界上首

台喷气推动的无人机主要用于美国空军。火蜂号无人机适用于情报收集及无线电交流的监控活动（图1-9）。

图1-8复仇者一号

图1-9瑞安火蜂号

2.发展期

1986年12月首飞的先锋系列无人机为战术指挥官提供了特定目标及战场的实时画面，执行了美国海军“侦察、监视并获取目标”等各种任务。这套无人定位系统的花销很小，满足了20世纪80年代美国在黎巴嫩、格林纳达及利比亚以低代价开展无人获取目标的要求，并首次投入实战。先锋号现在仍在服役，通过火箭助力起飞，起飞质量约为189kg,航速每小时约为174km。先锋系列无人机能够漂浮在水面，并且通过海面降落进行回收(图1-10)

通用原子公司(General Atomics)在1994年制造了MQ捕食者无人机，捕食者无人机的升级版能够将完全侦查用途的飞机改造成用于携带武器并攻击目标的飞机。在美国空

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军服役的捕食者无人机已超过125架，6架在意大利空军服役。1995年，捕食者无人机在联合国及北约对波斯尼亚的战争中首次使用，同时也出现在美军阿富汗和伊拉克战场上，但是正逐步被淘汰（图1-11）。

图1-10先锋RQ-2A

图1-11MQ捕食者无人机

全球鹰高空飞行器拥有长时间飞行的能力(图1-12)。服役于美国空军的该类无人机装备是能够开展情报收集、侦察及监视等功能的综合传感器。2001年开始研发的全球鹰项目成为航空历史的重大标杆。这是已知的第一架能够不经停，直接飞越太平洋的无人机，该无人机在2006年7月获准在美国领空飞行。

图1-12全球鹰高空飞行器

3.蓬勃期

21世纪初，由于原来的无人机体积较大，目标明显且不易携带，所以人们研制出迷你无人机，机型更加小巧、性能更加稳定，一个背包就可携带。同时，无人机更加优良的性能，催发了民用无人机的诞生

2006年，影响世界民用无人机格局的大疆无人机公司成立，其先后推出的Phantom(精灵)系列无人机，在世界范围内产生深远影响（图1-13）。

2009年，美国加州3 DRobotics无人机公司成立，这是

家最初主要制造和销售DIY类遥控飞行器(UAV)相关

零部件的公司，在2014年推出X8+四轴飞行器后而名声

大噪，目前已经成长为与中国大疆相媲美的无人机公司。

图1-13精灵无人机

2014年，一款用于自拍的无人机Zano诞生，曾经被称为无人机市场上的Phone。该无人机在众筹平台上筹款340万美元，获得超过15000人的支持，人们都对该款产品充满期待，由于无法解决无人机量产而引发的软硬件调校误差，该研发公司于2015年破产，Zao只能活在人们的记忆中。即便如此，无人机应用在自拍领域的研究也会继续下去。

2015年是无人机飞速发展的一年，各大运营生产商融资成功，为无人机的发展创造了十分有利的条件，还上线了第一个无人机在线社区一飞兽社区。

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···试读结束···