無人機導航與控制（簡體書）

導航系統和飛行控制系統是無人機的重要組成部分，是決定無人機能否正常飛行並完成預定任務的關鍵設備，也是無人機區別於普通遙控飛行器的標志性裝置。
《無人機導航與控制》首先介紹飛行器導航和飛行控制的原理，然後講述無人機導航系統、飛行控制與管理系統的功能、組成、工作過程及操作使用等。
《無人機導航與控制》可作為高等院校無人駕駛航空器系統工程專業本科生的教材，也可作為無人機操控人員及有人機相關專業本科生、飛行員和技術保障人員的參考書。

無人機作為一種新型作戰平臺，在偵察監視、電子對抗、通信中繼等任務領域發揮了重要作用，成為軍隊作戰能力新的增長點。隨著飛行器相關技術和人工智能的發展進步，新型無人飛行器、新的無人機作戰使用方式不斷涌現，對無人機的導航與飛行控制提出了更新、更高的要求。基於視覺和多傳感器融合的導航技術以及自動著陸（艦）回收技術、編隊導航與控制技術等方面的研究取得了很多成果，有望在不久的將來應用到軍用無人機裝備中。
導航系統和飛行控制系統是無人機的重要組成部分，是決定無人機能否正常飛行並完成預定任務的關鍵設備。雖然無人機上的導航系統和飛行控制系統在基本組成和工作原理上與有人機大致相同，但由於具有自主飛行、通過地面站控制飛行或改變航線等特點，無人機的導航系統和飛行控制系統在具體組成、功能和工作方式上具有新的特點，而且兩者的聯繫更加密切。無人機飛行控制系統不僅僅是機上的設備，還要包含控制站、數據鏈等設備，其自動飛行控制功能比有人機的飛行控制系統更多，如無人機飛行控制系統有起飛、降落、盤旋等控制功能。另外，由於計算機技術的發展和無人機的載荷能力有限，許多無人機把飛行管理、任務設備管理等功能集成到飛行控制計算機中，使飛行控制系統升級為飛行控制與管理系統。因此，現行有關航空導航和飛行控制系統的教材並不太適用於無人機專業的教學。
本書是針對高等院校無人機相關專業本科學歷教育編寫的，首先講述飛行器導航和飛行控制的通用原理，然後介紹無人機導航系統、飛行控制與管理系統的功能、組成、工作過程及操作使用等。全書共分8章。第1章在對無人機系統進行簡要介紹的基礎上，介紹飛行器導航與自動飛行控制的概念，以及無人機導航和控制技術的歷史、現狀及發展趨勢。第2章介紹與導航和飛行控制相關的基礎知識，包括自動控制理論基礎知識及坐標系、飛行器運動參數、地球形狀、位置的表示以及相關的數學和力學知識等。第3章介紹導航系統和飛控系統的傳感器，主要介紹陀螺儀、加速度計、大氣數據系統、無線電高度表等。第4章較為詳細地講述無人機導航系統的原理並簡要介紹實際導航設備，在介紹無線電導航、多普勒雷達導航、衛星導航、天文導航、慣性導航等主要導航方法和組合導航的概念和特點的基礎上，主要講述慣性導航系統、衛星導航系統及慣性-衛星組合導航系統。第5章介紹固定翼無人機飛行控制系統的原理，主要內容包括飛行控制系統的一般組成與功能、飛行控制的一般原理、無人機姿態與高度的穩定與控制、執行機構、數字式飛行控制系統等；為使讀者更好地理解飛行控制律的設計原理，本章結合某型機參數介紹了主要控制回路的設計方案，並運用Simulink進行了仿真和參數選擇。第6章簡要介紹無人直升機及其飛行控制的原理，包括直升機的基本工作原理、無人直升機的操縱原理、直升機的數學模型分析、無人直升機的增穩系統以及無人直升機自動飛行控制系統等內容。第7章介紹無人機飛行控制與管理系統的組成、功用、工作流程及使用中需要注意的問題等內容。第8章介紹無人機地面站上的導航和飛行控制操作。每一章的最後都給出了思考題。為了讓讀者更好地掌握書中涉及的基本概念，在本書的最後對主要名詞和術語作了解釋。
本書的第1章、第2章及第4～8章由唐大全編寫，第3章由鹿珂珂編寫，全書由唐大全統稿。
需要提醒讀者注意，一般的導航或慣性導航教材大多採用“東-北-天”地理系和“右-前-上”機體系，這與常用的飛行控制系統教材不一致。本書對導航和飛行控制的坐標系進行了統一，都採用“北-東-地”地理系和“前-右-下”機體系，這使得導航部分的公式與一般的導航教材有許多不同。
本書可作為高等院校無人駕駛航空器系統工程專業本科生的教材，也可作為無人機操控人員的業務參考書。由於無人機導航和飛行控制的基本原理與有人機是相同的，有人機相關專業的學生和從業人員也可將本書作為學習和工作的參考書。
吳文海教授在百忙之中審閱了本書並提出了寶貴意見，編者在此深表謝意。
無人機裝備和相關技術仍在不斷發展之中，加之編者水平有限，書中若有不足或錯誤之處，懇請專家和讀者批評指正。

第1章 緒論
1．1 無人機系統概述
1．1．1 無人機和無人機系統的概念
1．1．2 軍用無人機的分類
1．1．3 無人機系統的一般組成
1．2 飛行控制技術及其發展
1．2．1 自動飛行控制與飛行自動控制系統
1．2．2 飛機的增穩與飛行控制系統
1．2．3 飛行控制技術的發展
1．2．4 無人機飛行控制技術
1．3 導航的概念及發展過程
1．3．1 導航的基本概念
1．3．2 導航技術的發展
小結
思考題

第2章 基礎知識
2．1 自動控制理論基礎
2．1．1 自動控制系統的分類和組成
2．1．2 控制系統的基本要求
2．1．3 控制系統的數學模型
2．1．4 控制系統的分析方法
2．1．5 控制系統的穩定性
2．2 數學和力學基礎
2．2．1 矢量的運算
2．2．2 四元數
2．2．3 質點和質點系的動量矩定理
2．2．4 剛體的角動量及角動量定理
2．2．5 科氏加速度與科氏力
2．3 坐標系及飛行器的運動參數
2．3．1 坐標系
2．3．2 速度
2．3．3 姿態角
2．3．4 航跡方位角及爬升角
2．3．5 迎角和側滑角
2．3．6 航跡迎角和航跡側滑角
2．4 導航相關基礎知識
2．4．1 時間計量
2．4．2 地球和重力
2．4．3 比力及加速度的測量
2．4．4 導航系統中位置的兩種表示方法
2．4．5 擴展導航參數及其計算
小結
思考題

第3章 傳感器
3．1 概述
3．1．1 飛行器運動參數的測量方法
3．1．2 可測的無人機運動參量
3．2 陀螺儀
3．2．1 陀螺儀的基本概念
3．2．2 兩自由度陀螺儀
3．2．3 單自由度陀螺儀
3．2．4 光學陀螺儀
3．3 加速度計
3．3．1 加速度計的一般原理
3．3．2 撓性擺式力矩反饋加速度傳感器
3．4 大氣數據系統
3．4．1 大氣溫度與大氣壓力
3．4．2 大氣數據計算原理
3．5 其他傳感器
3．5．1 無線電高度表
3．5．2 磁力計
3．5．3 迎角和側滑角的傳感器
小結
思考題

第4章 無人機導航系統
4．1 航空導航概述
4．1．1 現代戰爭對導航的要求
4．1．2 主要導航方法簡介
4．2 慣性導航概述
4．2．1 慣性導航的概念及分類
4．2．2 慣性導航系統的特點及其發展
4．2．3 慣導系統中運動參數的計算
4．2．4 慣性導航基本方程
……
第5章 固定翼無人機飛行控制系統
第6章 無人直升機的飛行控制
第7章 飛行控制與管理系統
第8章 無人機導航與飛行控制操作
名詞術語索引
符號說明
參考文獻