《低成本无人机状态估计与控制》（俄）Chingiz Hajiyev，（土）Halil Ersin Soken，（土）Sitki|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《低成本无人机状态估计与控制》

【作　者】（俄）Chingiz Hajiyev，（土）Halil Ersin Soken，（土）Sitki

【页 数】 192

【出版社】 北京：国防工业出版社 , 2021.07

【ISBN号】978-7-118-12318-0

【价 格】109.00

【参考文献】 （俄）Chingiz Hajiyev，（土）Halil Ersin Soken，（土）Sitki. 低成本无人机状态估计与控制. 北京：国防工业出版社, 2021.07.

图书封面：

图书目录：

《低成本无人机状态估计与控制》内容提要：

本书主要围绕自动控制领域，介绍了如何运用鲁棒自适应卡尔曼滤波对无人机参数进行无障碍估计、如何运用故障检测和隔离算法对无人机大气数据进行数据融合、如何运用经典和模糊控制器对无人机进行控制等。本书主要围绕自动控制领域，介绍了如何运用鲁棒自适应卡尔曼滤波对无人机参数进行无障碍估计、如何运用故障检测和隔离算法对无人机大气数据进行数据融合、如何运用经典和模糊控制器对无人机进行控制等。

《低成本无人机状态估计与控制》内容试读

第1章无人机概论

1.1引言

一切的一切，都要从人们想要像鸟儿一样展翅飞翔的想法说起。从世界范围来看，这又何尝不是整个人类的梦想呢？也许，从动画片《土耳其少年的飞行梦》里，400年前，男主人公第一次飞跃伊斯坦布尔，从加拉塔桥塔跳下的时候，就开始萌生了这个想法。在土耳其的历史上，这部动画片是个传奇，也许从来就没人觉得飞行会成为现实，但是，有件事可以确定的是，从他纵身一跃的那天开始，很多东西都已然改变。如果男主人公还在世，他会看到飞行技术已经发展到了他无法想象的高度。如今，飞机成为了理想的交通工具、完美的战争武器、人类的助手，使人们生活的方方面面都变得更加便捷。现在，想象一下，价格低廉、生产容易、不需要飞行员的飞机一无人机，即无人驾驶飞机，基于这些现实目的发展起来。无人机不需要天才指挥官、不需要人在飞机上进行额外控制，就没有人的生命风险，且与有人机相比更加经济、更加小型、更加轻便。

首先，顾名思义，无人机是一种没有飞行员和乘务人员的交通工具，能在战争爆发、面临有一定风险的任务或特殊情况发生时，比如修正导弹方向，达到更好效果。自古以来，战争必然带来人员伤亡，因此，如果有一种方法能够减少部队伤亡就显得非常重要。正如霍尔德所说，在执行危险任务时，无人机对实时信息的获取要比有人机更有效，并且在很多其他情况下，也需要无人机，因此无人机在战争中扮演着重要角色)。或许，无人机在伊拉克战争中的运用就是很好的佐证，无人机成为伊拉克国内真正陆基联合作战力量的空中之眼[2]。从费卢杰战役中关键的攻坚战就很容易得到验证。西方解释说这场战斗之前，美国和伊拉克政府已完成磋商并达成共识，通过费卢杰战役再次控制了巴格达。美国和伊拉克的军事武装12000人，反动武装4000人，战斗中不允许严重人员伤亡，这不仅包括军队伤亡，也包括200000市民的安全。因此，确定反动武装所在位置尤为

重要，只有一支部队能够出色地完成这项任务，那就是海军无人机中队(VMU

1),绰号“看门狗”，以及他们的先锋无人机2。这次战役结束时，已经是11天以后了，城市非常干净，任务仅在大约30min内就完成了，各方人员伤亡都非常少。由此，完美展示了无人机在局部战争中的应用。

无人机的另一个用途就是执行危险任务。也许，无人机攻击能力是有限的，

2■低成本无人机状态估计与控制

但是它们执行搜索任务的能力十分出色，因此常常用于执行危险行动，且不会受到争议)。例如，Newcome宣称，在核测试区域执行搜索任务，这类工作对飞行员生命安全存在威胁，冷战时，很可能会引发核战争。因此，这些任务常常被认为是“肮脏的”，把它派给无人机是最好的选择3)。从这点上看，无人机可以完美地执行危险任务。Holder和Newcome描述了无人机的另一优势：当无人机丢失时，不需要危险的营救而引发更多潜在的伤亡。2000年，日本有珠山火山爆发后，建设部决定让无人机取代有人机到该区域飞行，原因是该火山是活火山，对飞行员存在极大危险3)。同时，还有很多适合无人机执行的“肮脏”任务的提案，例如，Holder指出，经检验，无人机还可以用于确定导弹目标且避免飞行员生命伤亡口。当最有价值的飞行员的生命面临危险时，无人机就是他们的救生圈。

如今，仿生鸟飞行非常昂贵，更加经济的无人机受人注目。首先，飞行员培训周期长且昂贵，因为无人机不需要飞行员，所以驾驶无人机比较经济、简单。战斗机飞行学员要学习战斗相关的所有知识，飞行6周时间，浪费这么多时间和金钱，是捕食者无人机新手培训周期的17倍3)。同时，无人机还有一个重要用途就是作为战斗机的靶机，这也是飞行员战斗技能培养的组成部分，既能保证教育质量，又能保证教育成本降低。Holder举了个例子，为了培养战斗机飞行员提高格斗能力，美国空军和海军就大量使用了无人靶机。

另一个使用无人机的直接经济优势就是它的价格。在安保领域，无人机和有人机对比，价格优势明显。2005年，Farivar指出警察执行监视任务以及反恐使命时，购买、更换和修理飞机都需要花费大量金钱4。此时，用更为经济的无人机取代有人机就变得更加重要。同时，Farivar指出，洛杉矶警察局无人机办公室席德中校说道：“尤其与直升机相比，小成本飞机需求更大。直升机每小时需要花费450美元，每飞行10h就需要购买新机。而无人机一架被击落，第二天就可以再买100架4)。”有一点可以肯定的是，即使预算充足的军队，也更想要制造成本和飞行成本更低廉的飞机。

第三点，无人驾驶能减小飞机尺寸，跟大飞机相比，小飞机优势更多。无人驾驶并不仅仅意味着没有飞行员，也意味着不需要携带乘务人员必需的设备。例如，救生设备对于有人机是必不可少的。Holder指出，不需要救生设备的无人机相较于有人机更先进山。那些设备又大又重，因此，相同条件下，采用小型无人机更不易被发现、更可取，因为没人会希望间谍飞机被敌方发现。小尺寸飞机还有一些优势就是续航时间更长，起飞降落更便捷。因此，无人机被赋予了更多任务，比如救火。德加斯帕里告诉他的读者，地面救火的视野受限，空中交通工具能使火灾搜索范围更大。为了满足这一需要，爱达荷国家工程和环境实验室(Idaho National Engineering and Environmental Laboratory,INEEL)正在a研究消防无人机5)。该实验室无人机项目负责人斯科特鲍尔说，用拖车运载小型无人

第1章无人机概论■3

机，弹射器弹射升空，并用手提箱大小的遥控器进行控制是可行的，他描述的小型无人机翼展为3~3.5m,载重为12kg,续航时间为10h5)。同时，小型无人机还有其他优势，由于便捷而便于运输，几分钟内就可以飞起来。警察等执法者采用的安保无人机就是其中一种。根据Farivar所说的安保无人机的尺寸，张博士解释说小型飞机携带方便，可以装进包里，当需要操作时，几分钟内就可以安装完毕，实现起飞。

由于使一个重的物体飞起来要比轻的物体难度大，在这种情况下，需要对轻型无人机性能进行检测。首先，出于安保、交通管制和新闻视角等应用目的，无人机在城市上空飞行更加需要安全。Farivar引用Kroo教授的观，点解释了这一情况，Ilan Kroo教授是斯坦福大学飞机空气动力学设计小组无人机安全负责人。lan Kroo教授指出：“飞机的小型化也是出于对公众安全考虑。”他还补充说，如果发生空难，飞机坠毁在人口密集区域，那么你肯定希望碎片只有几盎司重，而不是几千磅重①。同时，低质量的优点是小型且便于携带，比如更小、更轻的无人机可以采用手抛式。投掷无人机能够手抛起飞，仅仅6.8kg,各项性能具有广泛的潜在用途，如在空中为新闻和执法部门提供实时图像。另一方面，更轻也使其更具隐身性。不需要搭载乘务人员，接近下限的飞行重量，正满足空中预警系统研发人员需求，因为更轻就能飞的更高，飞行时间足够长且不易被察觉[6]。更轻通常更好。

总之，无人驾驶更加经济、更加小型、更加便捷，使得无人机相较于有人机的优势更加明显。从这一点上看，有没有天才指挥官不再重要，无人机优势地位日益突出。在很多领域，无人机已经取代有人机。或许有一天，客机也会是无人驾驶的，而不再需要飞行员。

1.2无人机的分类及应用

国外，无人机的定义是没有飞行员的飞行器。根据国际民用航空组织(I

ternational Civil Aviation Organization,ICAO)的划分标准，无人飞行器分为两类[7,8]

1.自动驾驶飞机

根据法律和责任条款，自动驾驶飞行器被认为不适合监管。

2.遥控飞机

根据国际民用航空组织和有关国家航空管理局规定，遥控飞机必须服从民用

①1蛊司(0z)=28.3495g:1磅(1b)=0.45359237kg。

4■低成本无人机状态估计与控制

管制。

无人机有很多不同的名字，包括被称为无人飞行系统(Unmanned Air Sys--tems,UAS)、无人驾驶系统(Unpiloted Air Systems,UAS)、遥控飞机(Drones)、无人驾驶飞行器(Unpiloted Aerial Vehicles)等。无人机可通过机载计算机自主控制（根据在线计算和预先编码控制算法）或者地面人员遥控。无人机系统是

一个复杂系统，包括：

(1)操控人员使用的控制站；

(2)无人机平台；

(3)通信系统。

无人机具有军用和民用多种不同用途，民用用途包括：

(1)航拍：

(2)农业用途；

(3)气象目的：

(4)交通管制；

(5)物流无人机用于运送货物；

(6)警察局；

(7)消防设备；

(8)信息服务；

(9)研究进展—深入学习实验。军用用途包括：

(1)侦察；

(2)监测：

(3)目标和诱饵用于空中或地面打击敌方导弹或飞机：

(4)攻击一作为战斗机或轰炸机（通常）执行高危任务；

(5)电子情报。

根据尺寸和性能、使命不同，无人机可以划分为不同种类。续航能力、范围、质量和升限等特点决定了无人机不同性能，从而可以划分不同种类。但是，随着技术进步和新兴无人机出现，这些定义也在不断改变。目前，不同类型无人机包括7,8)：

·航天轨道无人机一在近地轨道上飞行的无人机。速度可达到25Ma,主要用于发射宇宙飞船进入轨道。

·高超声速无人机一可达超声速(1~5Ma)或高超声速(5Ma)速度，适合亚轨道高度飞行。

·高空长航时(HALE)无人机一在15000m以上高度，持续飞行24h甚至更长时间，通常军用。

·中空长航时(MALE)无人机一在5000~15000m之间高度飞行，通常

第1章无人机概论■5

军用。

·战术无人机一军用小范围使用，与高空长航时和中空长航时相比，系统更简单。

·近程无人机一机动部队使用，飞行范围100km,用于监视、交通管制植物保护、侦察任务等。手抛无人机属于此类别。

·小型无人机—接近20kg的无人机。可能采用手抛，通常机动部队使用。

●微型无人机一翼展小于150mm的无人机。它们是在城市环境中操作所

必需的

·纳米飞行器一跟昆虫尺寸相当，用于极小范围监视。以上飞行器，可以是旋翼（可以垂直起降）或固定翼。

无人机可以根据机翼、载重、发动机类型、载荷功率等进行分类。

机翼载荷的计算公式是无人机总质量除以机翼面积。根据机翼负荷值可以将无人机划分为3类。机翼负荷大于100kg/m2的无人机称为高负载机，小于100kg/m2且大于50kg/m2的无人机称为中负载机，小于50kg/m2的无人机称为小负载机。

为了完成不同使命，无人机使用不同类型发动机，包括涡扇、双冲程、活塞、旋转涡轮、电动以及螺旋桨。如下给出采用不同类型发动机的无人机：

·全球鹰—军用无人机—涡扇；

·捕食者—军用无人机—活塞；

·龙眼一军用无人机一电动。

1.3无人机的发展历程

无人驾驶飞行器是在20世纪90年代初才开始使用的术语，之前表述为“遥

控飞机(RPV)”3)。最新给出无人机的定义[3)为：

无人机是指一种不搭载操作人员的空中动力飞行器，采用空气动力学为飞行器提供所需的动力，能够自主飞行或进行远程遥控：既能一次性使用也能进行回收：能够携带致命性或非致命性有效载荷。弹道或半弹道飞行器、巡航导弹和炮弹不能看作无人飞行器。

近年来，在科索沃战争北约军事行动和持久自由行动等美国军事行动中，无人机才开始得到广泛运用，但是无人机的历史和有人机同样久远。事实上，最早，在20世纪80年代中期之前，军事策划者缺乏对无人机在军事使命中所扮演角色的正确认识，没有意识到无人机的显著优势，造成无人机没有被加人到某一任务中，民众对无人机的兴趣也减弱了9。如今，无人机被用于各种不同用途，例如交通管制、消防等公共领域，以及侦察监视、攻击等重要军事任务。

6■低成本无人机状态估计与控制

历史上，I918年，Charles Kettering为美国海军建造的“凯特灵小飞虫”(Kettering Bug)被认为是第一架无人机。样机的成功使得军队订购了更多该机型无人机，但是随着一战结束并没有飞行。另一方面，通常的观点认为1964一1972年，美国在越南战争中的“火蜂”是无人机的祖先。当时，战略空军100号战略

侦察连队(UASF)指挥超过3400架无人战斗机在越南北部、老挝、中国上空

飞行。

不久的将来，无人机技术有望取得更大的进步，主要围绕无人机自主水平展开研究。在无人干预情况下，飞机能够自主决策，飞行任务的性能直接受到决策正确与否的影响，而不受精确定位、姿态决定等影响。从这个意义上说，首先需要一种能够对无人机状态进行准确估计的方法，然后需要一种有效的状态控制算法来提高无人机自主执行任务的性能。本书提出几种算法旨在解决这些问题。

1.4结束语

综上所述，无人化、更加经济、更加小型、更加便捷都使得无人机更优于有人机，从这一点上看，是否存在天才指挥官将不再重要，而无人机的优势也更加引人注目，越来越明显。在诸多领域，无人机将取代有人机。或许有一天，客机将实现无人驾驶而不再需要飞行员。但是，将无人机应用到人类生活各个领域需要面对的关键挑战是自主化水平的提高和人为参与的减少。本书提出几种算法旨在解决这些问题。

参考文献

1.Holder WG,Holder B(2001)Unmanned air vehicles:an illustrated study of UAVs.Schiffer

Publishing,Atglen

2.West B(2005)Nowhere to hide.Pop Mech 182(2):54-59

3.Newcome LR(2004)Unmanned aviation:a brief history of unmanned aerial vehicles.AIAA,

Reston

4.Farivar C(2005)A flying crime fighter (some assembly required).New York Times (Articledated:January,13,2005),p.G7

5.DeGaspari J(2005)Unmanned fire spies [Electronic version].Mech Eng 127(2):20-22

6.Long MW (ed)(1992)Airborne early warning system concepts.Artech House Publishing,

Norwood

7.Austin R (2010)Unmanned aircraft systems:UAVs design,development and deployment.

Wiley,Chichester

8.Fahlstrom PG,Gleason TJ(2012)Introduction to UAV systems,4th edn.Wiley,Hoboken

9.Cook KLB(2007)The silent force multiplier:the history and role of UAVs in warfare.IEEEaerospace conference,Big Sky,MT.USA,March 2007

···试读结束···