无人机仿真技术

本书为工业和信息化部“十四五”规划教材。
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张琪 (作者) 978-7-115-63781-9

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1.本书以新技术应用能力和专业综合素质的培养为主线,合理构架人才的知识结构,培养扎实的基础理论知识,提升无人机系统设计应用能力,适应无人机产业链生产制造企业系统测试,驾驶员等岗位需要的高端技术技能人才。
2.本书利用慕课平台开放课程《无人机仿真技术》资源库资源提供多种形式的资源编写,配套资源丰富。
3.工业和信息化部“十四五”规划教材

特别说明

本书为工业和信息化部“十四五”规划教材。

内容摘要

本书系统阐述了无人机系统仿真的基础理论和方法,集基础性、前沿性、实用性为一体。全书共7 章,主
要内容包括无人机结构与飞行原理、多旋翼无人机设计、4 旋翼无人机三维建模、无人机飞行控制系统、4 旋
翼无人机气动模型仿真系统、遥控器调试及仿真飞行操作、航线规划智能仿真飞行等。
本书可作为高等院校无人机相关专业、电子信息工程技术专业无人机方向相关课程等的教材,也可作为社
会从事或准备从事无人机仿真技术工作人员的业务技能培训用书。

目录

第 1章 无人机结构与飞行原理 ........................................................................................... 1
1.1 固定翼无人机结构与飞行原理 ……………………………………………………………………… 1
1.1.1 固定翼无人机的结构 …………………………………………………………………………… 1
1.1.2 翼型 ……………………………………………………………………………………………… 7
1.1.3 固定翼无人机飞行原理 ……………………………………………………………………… 10
1.2 多旋翼无人机结构与飞行原理 …………………………………………………………………… 14
1.2.1 多旋翼无人机的结构 ………………………………………………………………………… 15
1.2.2 遥控装置 ……………………………………………………………………………………… 24
1.2.3 多旋翼无人机的飞行原理 …………………………………………………………………… 26
1.2.4 多旋翼无人机的调试 ………………………………………………………………………… 32
1.2.5 基本操作要求和日常维护 …………………………………………………………………… 34
1.3 直升无人机结构与飞行原理 ……………………………………………………………………… 35
1.3.1 直升无人机的结构 …………………………………………………………………………… 36
1.3.2 直升无人机的飞行原理 ……………………………………………………………………… 38
1.3.3 旋翼机的飞行原理 …………………………………………………………………………… 41
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 42
第 2章 多旋翼无人机设计 .................................................................................................44
2.1 总体参数设计 ……………………………………………………………………………………… 44
2.1.1 多旋翼无人机各部分质量 …………………………………………………………………… 44
2.1.2 整机功重比 …………………………………………………………………………………… 45
2.1.3 锂聚合物电池能量质量比 …………………………………………………………………… 46
2.1.4 载重、航时、总重相互关系计算 …………………………………………………………… 46
2.2 飞行平台设计 ……………………………………………………………………………………… 47
无人机仿真技术
2
2.2.1 气动布局选择(动力分摊) ………………………………………………………………… 47
2.2.2 动力组选型 …………………………………………………………………………………… 48
2.2.3 重要尺寸的确定 ……………………………………………………………………………… 51
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 52
第3章 4旋翼无人机三维建模 ..........................................................................................53
3.1 SolidWorks基础 ……………………………………………………………………………………… 54
3.1.1 模型设计 ……………………………………………………………………………………… 54
3.1.2 用户界面 ……………………………………………………………………………………… 55
3.1.3 草图 …………………………………………………………………………………………… 57
3.1.4 拉伸 …………………………………………………………………………………………… 65
3.1.5 装配体 ………………………………………………………………………………………… 66
3.1.6 工程图 ………………………………………………………………………………………… 67
3.2 三维零件建模 ……………………………………………………………………………………… 67
3.2.1 中心板三维建模 ……………………………………………………………………………… 67
3.2.2 脚架三维建模 ………………………………………………………………………………… 72
3.2.3 海绵三维建模 ………………………………………………………………………………… 73
3.2.4 电机三维建模 ………………………………………………………………………………… 76
3.3 三维模型整机装配 ………………………………………………………………………………… 80
3.3.1 标准配合 ……………………………………………………………………………………… 80
3.3.2 高级配合 …………………………………………………………………………………… 81
3.3.3 装配体设计 …………………………………………………………………………………… 81
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 85
第4章 无人机飞行控制系统 .............................................................................................86
4.1 飞行控制系统概述 ………………………………………………………………………………… 86
4.1.1 飞行控制系统的发展 ………………………………………………………………………… 86
4.1.2 飞行控制系统的基本任务 …………………………………………………………………… 87
4.2 飞行控制系统的组成 ……………………………………………………………………………… 87
4.2.1 主控模块 ……………………………………………………………………………………… 87
4.2.2 传感器 ………………………………………………………………………………………… 88
目 录
3
4.2.3 数据存储模块 ………………………………………………………………………………… 91
4.2.4 舵机信号输入与输出模块 …………………………………………………………………… 91
4.3 飞行控制软件功能模块 …………………………………………………………………………… 92
4.4 姿态 ………………………………………………………………………………………………… 94
4.5 无人机姿态控制 …………………………………………………………………………………… 97
4.5.1 PID控制原理和特点 ………………………………………………………………………… 97
4.5.2 PID 控制方法 ………………………………………………………………………………… 98
4.5.3 4旋翼无人机中的PID ………………………………………………………………………… 102
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 108
第5章 4旋翼无人机气动模型仿真系统 ....................................................................... 109
5.1 X-Plane飞行模拟软件介绍 ………………………………………………………………………… 109
5.2 Plane Maker基本功能介绍 ………………………………………………………………………… 113
5.2.1 Plane Maker简介 ……………………………………………………………………………… 113
5.2.2 Plane Maker界面 ……………………………………………………………………………… 113
5.3 无人机气动模型仿真系统 ………………………………………………………………………… 118
5.3.1 气动模型准备 ………………………………………………………………………………… 119
5.3.2 F450型多旋翼机身气动建模 ………………………………………………………………… 120
5.3.3 支臂的气动建模 ……………………………………………………………………………… 125
5.3.4 发动机的气动建模 …………………………………………………………………………… 126
5.3.5 塑造脚架气动模型 …………………………………………………………………………… 129
5.4 仿真效果输出报告 ………………………………………………………………………………… 132
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 133
第6章 遥控器调试及仿真飞行操作 .............................................................................. 134
6.1 仿真系统的具体实施过程 ………………………………………………………………………… 134
6.2 仿真系统使用说明 ………………………………………………………………………………… 137
6.2.1 仿真套件组成 ………………………………………………………………………………… 137
6.2.2 遥控器组成 ………………………………………………………………………………… 138
6.2.3 飞行模式 ……………………………………………………………………………………… 138
6.2.4 遥控器使用及配对 ………………………………………………………………………… 139
无人机仿真技术
4
6.3 虚拟仿真试验操作及仿真效果 …………………………………………………………………… 142
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 144
第7章 航线规划智能仿真飞行 ...................................................................................... 145
7.1 无人机地面站系统功能简介 ……………………………………………………………………… 145
7.1.1 地面站的组成 ………………………………………………………………………………… 145
7.1.2 地面站功能 …………………………………………………………………………………… 148
7.1.3 地面站分类 …………………………………………………………………………………… 151
7.1.4 地面站相关理论知识 ………………………………………………………………………… 152
7.2 植保作业仿真 ……………………………………………………………………………………… 155
思考与练习 ………………………………………………………………………………………………… 162
参考文献............................................................................................................................. 164

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作者介绍

张琪,航空工程学院副院长,副教授,硕士研究生,江苏省技术能手,江苏省青年岗位能手,校级教学名师,黄炎培优秀青年教师。参与完成省级教改课题一项;主持完成江苏智能传感器网络技术工程研究开发中心开放基金项目一项;主编一本十四五国家规划教材,副主编完成一本十三五国家规划教材,副主编完成一本十二五国家规划教材;教学能力大赛获得省级二等奖;获得航空行指委教学成果奖三等奖;获得江苏省轻工协会科学进步奖三等奖;指导学生参加全国大学生电子设计竞赛获一等奖,并获得优秀指导教师称号;指导学生参加技能大赛获得国家二等奖;指导学生创新项目获得全国大学生创新创业大赛中发明类奖项若干;指导学生毕业设计获得省优秀毕业设计三等奖。

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