Introduction to the Design of Fixed-wing Micro Aerial Vehicles pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Amer Inst of Aeronautics &

作者:Mueller, Thomas J./ Kellogg, James C./ Ifju, Peter G./ Shkarayev, Sergey V.

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2007-1

价格:$ 95.99

装帧:HRD

isbn号码:9781563478499

丛书系列:

图书标签:

Micro Aerial Vehicles
Fixed-wing Aircraft
Aerodynamics
Aircraft Design
Control Systems
Embedded Systems
Aeronautical Engineering
Robotics
Modeling and Simulation
Lightweight Structures

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具体描述

This intriguing book breaks new ground on an emerging subject that has attracted considerable attention: the use of unmanned Micro Air Vehicles (MAVs) to conduct special, limited duration missions. Significant advances in the miniaturization of electronics make it now possible to use vehicles of this type in a detection or surveillance role to carry visual, acoustic, chemical, or biological sensors. Interestingly, many of the advances in MAV technology can be traced directly to annual student competitions, begun in the late 1990s, that use relatively low cost model airplane equipment. The wide variety of configurations entered in these contests and their ongoing success has led to a serious interest in testing the performance of these vehicles for adaptation to practical applications. MAVs present aerodynamic issues unique to their size and the speeds at which they operate. Of particular concern is the aerodynamic efficiency of various fixed wing concepts. Very little information on the performance of low aspect ratio wing planforms existed for this flight regime until MAVs became of interest and the proliferation of fixed wing designs has since expanded. This book presents a brief history of unmanned air vehicles and offers elements of aerodynamics for low aspect ratio wings. Propulsion and the basic concepts for fixed wing MAV design are presented, as is a method for autopilot integration. Three different wing configurations are presented in a series of step-by-step case studies. The goal of the book is to assist both working professionals and students to design, build, and fly MAVs, and do so in a way that will advance the state of the art and lead to the development of even smaller aircraft.

第一章基础空气动力学理论本章将深入探讨固定翼微型飞行器（MAV）设计所依赖的基础空气动力学原理。我们将从牛顿运动定律出发，回顾并阐述伯努利原理在翼型设计中的核心作用，重点分析升力、阻力、侧向力和力矩的产生机制。章节内容将涵盖：流体动力学基础：探讨粘性流和无粘性流的特性，以及它们对MAV气动性能的影响。我们将介绍流线、涡量、边界层等关键概念，并讨论雷诺数在判断流动状态中的重要性。翼型理论：详细解析不同翼型（如NACA系列）的几何参数（弦长、厚度、弯度、前缘半径）如何影响其升阻特性。我们将介绍升力线理论和三维翼理论，理解机翼展向和端部流动的影响，以及如何通过优化翼型参数来提升MAV的效率。飞机整体气动布局：分析不同飞机布局（如常规布局、鸭翼布局、T型尾翼布局）对MAV稳定性和控制性的影响。我们将讨论机翼、机身、尾翼之间的相互作用，以及它们如何协同工作以实现期望的飞行性能。失速现象与尾旋：深入研究翼型和整体飞机的失速机理，以及在低速、大迎角情况下可能出现的尾旋现象。我们将讨论如何通过设计和控制策略来避免或减轻这些不利情况。非定常气动效应：探讨在MAV进行快速机动或穿越复杂气流环境时，可能出现的非定常气动效应，如涡脱落、气动弹性等，以及它们对MAV控制稳定性的潜在影响。第二章 MAV结构设计与材料选择本章专注于MAV的结构设计，强调轻量化、高强度和耐久性的重要性，以满足微型化和低成本的部署需求。我们将详细介绍：材料特性与选择：深入比较不同轻质结构材料的性能，包括但不限于：复合材料：碳纤维增强聚合物（CFRP）、玻璃纤维增强聚合物（GFRP）等，分析其高比强度、高比刚度和良好的疲劳性能，并讨论其制造工艺的优缺点。泡沫材料：聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）等，阐述其优异的吸能性和保温性，以及在MAV蒙皮和芯材中的应用。薄膜材料：如聚酯薄膜（PET），讨论其在某些低成本、一次性MAV中的可行性。金属材料：铝合金、镁合金等，分析其在特定结构部件（如连接件、发动机支架）上的应用潜力，并权衡其重量劣势。结构分析方法：介绍有限元分析（FEA）在MAV结构强度、刚度和振动特性分析中的应用。我们将讨论如何建立精确的模型，加载合理的边界条件和载荷，并解释结果的解读，以确保结构设计的可靠性。结构布局优化：探讨梁、板、壳体等基本结构单元的设计原则，以及如何通过合理的结构布局（如桁架结构、蜂窝结构、肋板结构）来最大化结构效率，减轻重量。连接与装配：分析不同连接方式（如胶接、螺接、铆接）在MAV结构中的适用性，以及如何实现结构的快速装配和解体。结构可靠性与耐久性：讨论如何通过设计冗余、疲劳寿命分析和环境适应性设计来提高MAV结构的可靠性和耐久性，使其能够应对恶劣的工作环境。第三章 MAV动力系统集成本章聚焦于MAV动力系统的集成，包括电动机、螺旋桨、电池以及相关的控制电子器件。我们将深入分析：电动机选型与性能分析：直流无刷电动机（BLDC）：详细介绍其工作原理、优点（高效率、高功率密度、长寿命）以及在MAV中的广泛应用。我们将讨论KV值、额定功率、扭矩-转速特性等关键参数，并指导如何根据MAV的载荷和飞行要求进行选型。其他电动机类型：简要提及直流有刷电动机、步进电动机等，并分析其在特定MAV应用中的局限性。螺旋桨设计与匹配：螺旋桨空气动力学：阐述螺旋桨的升力、阻力以及效率如何受到直径、螺距、叶片数量和形状的影响。高效螺旋桨选择：介绍如何根据电动机的转速特性和MAV的总重量，选择最匹配的高效螺旋桨，以实现最佳的推力和续航能力。电池技术与能量管理：锂聚合物电池（LiPo）：重点分析其高能量密度、高放电倍率等优势，以及在MAV中的应用。我们将讨论电池容量、电压、C值、内阻等关键参数，并强调安全使用和充电注意事项。能量管理策略：探讨如何通过合理的飞行规划和电机控制，优化能量消耗，延长MAV的续航时间。电子调速器（ESC）的作用与选择：介绍ESC的功能（控制电机转速、过流保护、刹车功能等），以及如何根据电机的功率需求和电压匹配选择合适的ESC。动力系统集成与布局：分析动力系统在MAV整体结构中的合理布局，考虑重心、空气动力学干扰以及散热等因素，以确保动力系统的稳定运行和最佳性能。第四章 MAV飞行控制系统设计本章详细阐述MAV飞行控制系统的设计，包括传感器、飞控计算机、执行器以及控制算法。我们将深入探讨：飞行传感器选型与原理：惯性测量单元（IMU）：重点介绍加速度计和陀螺仪的工作原理，以及它们如何提供MAV的姿态和角速度信息。我们将讨论传感器的精度、噪声、零偏等关键参数。气压计（Barometer）：解释其用于测量高度的原理，以及如何结合IMU数据进行高度稳定。 GPS/GNSS模块：阐述其用于定位和导航的原理，以及如何提供速度和航向信息。视觉传感器（可选）：简要提及摄像头在视觉导航、避障等方面的应用。飞控计算机（Flight Controller）硬件：介绍主流的飞控硬件平台，如Pixhawk、ArduPilot等，以及它们集成的微处理器、内存和I/O接口。控制算法与稳定增稳： PID控制算法：详细讲解比例（P）、积分（I）和微分（D）环节的作用，以及如何通过调整PID参数来实现MAV的姿态稳定和航向保持。状态估计算法：介绍卡尔曼滤波（Kalman Filter）等算法在融合多传感器数据、提供精确状态估计方面的作用。航路规划与导航：探讨如何利用GPS/GNSS信息和飞控算法实现预设航点的飞行、路径跟踪以及自主返航等功能。执行器与舵机：舵机（Servos）：介绍其工作原理，以及如何通过舵机控制副翼、升降舵、方向舵等舵面，实现MAV的机动飞行。电调（ESC）与电机控制：再次强调ESC在控制电机推力方面的作用，以及如何与飞控算法协同工作。飞行模式与参数整定：介绍不同的飞行模式（如手动模式、定高模式、定点模式、自动模式），以及如何对控制参数进行有效的整定，以获得最佳的飞行性能和稳定性。第五章 MAV通信与遥测系统本章侧重于MAV的通信链路设计，包括遥控、遥测以及数据传输，确保远程操作的可靠性和信息的实时获取。我们将详细介绍：无线通信技术： ISM频段（如433MHz, 915MHz, 2.4GHz, 5.8GHz）：分析不同频段的特点，包括传输距离、带宽、抗干扰能力以及法规限制。调制解调方式：介绍ASK, FSK, PSK等常见的调制解调技术，以及它们对数据传输可靠性和效率的影响。通信协议：探讨MAV通信中常用的通信协议，如MAVLink、CRSF等，以及它们在数据帧结构、校验和纠错方面的设计。遥控系统设计：发射机（遥控器）与接收机：分析遥控器的编码、传输方式以及接收机的解码、抗干扰能力。通道分配与控制指令：介绍如何将遥控器上的操作（如摇杆、开关）映射到MAV的各个控制通道，实现对飞行姿态、模式切换等指令的发送。安全冗余与失控保护：强调通信链路的可靠性设计，包括跳频、纠错码的应用，以及失控保护机制（如自动返航、安全降落）的设计。遥测系统设计：遥测数据内容：列举MAV上需要采集和回传的关键遥测数据，包括飞行状态（高度、速度、姿态、GPS坐标）、动力系统状态（电池电压、电流、温度）、传感器状态等。数据传输速率与带宽：分析不同遥测数据量对通信带宽的需求，以及如何选择合适的传输速率以保证数据的实时性和完整性。地面站软件：介绍地面站软件的功能，包括数据接收、可视化显示（地图、仪表盘）、参数设置、任务规划等，以及如何实现与MAV的交互。数据链路的可靠性与安全性：讨论如何通过加密、身份验证等技术提高通信链路的安全性，防止未经授权的接入和干扰。第六章 MAV任务规划与应用本章将聚焦于MAV在不同领域的应用，以及如何进行有效的任务规划，以实现预期的目标。我们将涵盖：常见MAV应用领域：航空摄影与测量：详细介绍MAV在航拍、地形测绘、三维建模、文物保护等领域的应用，以及对MAV载荷（相机、传感器）的要求。环境监测与农业：探讨MAV在农作物生长监测、病虫害防治、精准施肥、环境污染监测等方面的作用。安防与巡检：分析MAV在边境巡逻、基础设施（电力线、管道）巡检、灾害搜救等方面的应用。物流配送（前景）：展望MAV在短程、小批量物品配送方面的潜力。任务需求分析：飞行距离与续航时间：根据任务需求，确定MAV所需的续航能力和最大飞行距离。载荷能力与传感器配置：根据任务目标，选择合适的相机、传感器、投放装置等载荷，并评估MAV的载荷携带能力。作业精度与分辨率：针对测量、监测等任务，明确所需的作业精度和数据分辨率。任务规划流程：飞行区域分析：考虑地形、障碍物、空域限制、天气条件等因素，规划可行的飞行区域。航线设计：基于任务需求，设计高效、覆盖全面的航线，包括航点设置、航高、航速等参数。安全考量：评估潜在风险，制定应急预案，确保任务过程中的飞行安全。数据处理与分析：影像处理：介绍航拍影像的拼接、校正、建模等技术。传感器数据分析：探讨如何对监测数据、测量数据等进行有效分析，提取有价值的信息。法规与伦理考量：简要提及MAV使用相关的飞行法规、隐私保护以及伦理问题，强调负责任的使用。