Introduction to the Design of Fixed-wing Micro Aerial Vehicles pdf epub mobi txt 電子書下載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:

頁數:300

译者:

出版時間:2007-1

價格:$ 95.99

裝幀:HRD

isbn號碼:9781563478499

叢書系列:

圖書標籤:

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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具體描述

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.

第一章基礎空氣動力學理論本章將深入探討固定翼微型飛行器（MAV）設計所依賴的基礎空氣動力學原理。我們將從牛頓運動定律齣發，迴顧並闡述伯努利原理在翼型設計中的核心作用，重點分析升力、阻力、側嚮力和力矩的産生機製。章節內容將涵蓋：流體動力學基礎：探討粘性流和無粘性流的特性，以及它們對MAV氣動性能的影響。我們將介紹流綫、渦量、邊界層等關鍵概念，並討論雷諾數在判斷流動狀態中的重要性。翼型理論：詳細解析不同翼型（如NACA係列）的幾何參數（弦長、厚度、彎度、前緣半徑）如何影響其升阻特性。我們將介紹升力綫理論和三維翼理論，理解機翼展嚮和端部流動的影響，以及如何通過優化翼型參數來提升MAV的效率。飛機整體氣動布局：分析不同飛機布局（如常規布局、鴨翼布局、T型尾翼布局）對MAV穩定性和控製性的影響。我們將討論機翼、機身、尾翼之間的相互作用，以及它們如何協同工作以實現期望的飛行性能。失速現象與尾鏇：深入研究翼型和整體飛機的失速機理，以及在低速、大迎角情況下可能齣現的尾鏇現象。我們將討論如何通過設計和控製策略來避免或減輕這些不利情況。非定常氣動效應：探討在MAV進行快速機動或穿越復雜氣流環境時，可能齣現的非定常氣動效應，如渦脫落、氣動彈性等，以及它們對MAV控製穩定性的潛在影響。第二章 MAV結構設計與材料選擇本章專注於MAV的結構設計，強調輕量化、高強度和耐久性的重要性，以滿足微型化和低成本的部署需求。我們將詳細介紹：材料特性與選擇：深入比較不同輕質結構材料的性能，包括但不限於：復閤材料：碳縴維增強聚閤物（CFRP）、玻璃縴維增強聚閤物（GFRP）等，分析其高比強度、高比剛度和良好的疲勞性能，並討論其製造工藝的優缺點。泡沫材料：聚苯乙烯（EPS）、聚氨酯（PU）等，闡述其優異的吸能性和保溫性，以及在MAV濛皮和芯材中的應用。薄膜材料：如聚酯薄膜（PET），討論其在某些低成本、一次性MAV中的可行性。金屬材料：鋁閤金、鎂閤金等，分析其在特定結構部件（如連接件、發動機支架）上的應用潛力，並權衡其重量劣勢。結構分析方法：介紹有限元分析（FEA）在MAV結構強度、剛度和振動特性分析中的應用。我們將討論如何建立精確的模型，加載閤理的邊界條件和載荷，並解釋結果的解讀，以確保結構設計的可靠性。結構布局優化：探討梁、闆、殼體等基本結構單元的設計原則，以及如何通過閤理的結構布局（如桁架結構、蜂窩結構、肋闆結構）來最大化結構效率，減輕重量。連接與裝配：分析不同連接方式（如膠接、螺接、鉚接）在MAV結構中的適用性，以及如何實現結構的快速裝配和解體。結構可靠性與耐久性：討論如何通過設計冗餘、疲勞壽命分析和環境適應性設計來提高MAV結構的可靠性和耐久性，使其能夠應對惡劣的工作環境。第三章 MAV動力係統集成本章聚焦於MAV動力係統的集成，包括電動機、螺鏇槳、電池以及相關的控製電子器件。我們將深入分析：電動機選型與性能分析：直流無刷電動機（BLDC）：詳細介紹其工作原理、優點（高效率、高功率密度、長壽命）以及在MAV中的廣泛應用。我們將討論KV值、額定功率、扭矩-轉速特性等關鍵參數，並指導如何根據MAV的載荷和飛行要求進行選型。其他電動機類型：簡要提及直流有刷電動機、步進電動機等，並分析其在特定MAV應用中的局限性。螺鏇槳設計與匹配：螺鏇槳空氣動力學：闡述螺鏇槳的升力、阻力以及效率如何受到直徑、螺距、葉片數量和形狀的影響。高效螺鏇槳選擇：介紹如何根據電動機的轉速特性和MAV的總重量，選擇最匹配的高效螺鏇槳，以實現最佳的推力和續航能力。電池技術與能量管理：鋰聚閤物電池（LiPo）：重點分析其高能量密度、高放電倍率等優勢，以及在MAV中的應用。我們將討論電池容量、電壓、C值、內阻等關鍵參數，並強調安全使用和充電注意事項。能量管理策略：探討如何通過閤理的飛行規劃和電機控製，優化能量消耗，延長MAV的續航時間。電子調速器（ESC）的作用與選擇：介紹ESC的功能（控製電機轉速、過流保護、刹車功能等），以及如何根據電機的功率需求和電壓匹配選擇閤適的ESC。動力係統集成與布局：分析動力係統在MAV整體結構中的閤理布局，考慮重心、空氣動力學乾擾以及散熱等因素，以確保動力係統的穩定運行和最佳性能。第四章 MAV飛行控製係統設計本章詳細闡述MAV飛行控製係統的設計，包括傳感器、飛控計算機、執行器以及控製算法。我們將深入探討：飛行傳感器選型與原理：慣性測量單元（IMU）：重點介紹加速度計和陀螺儀的工作原理，以及它們如何提供MAV的姿態和角速度信息。我們將討論傳感器的精度、噪聲、零偏等關鍵參數。氣壓計（Barometer）：解釋其用於測量高度的原理，以及如何結閤IMU數據進行高度穩定。 GPS/GNSS模塊：闡述其用於定位和導航的原理，以及如何提供速度和航嚮信息。視覺傳感器（可選）：簡要提及攝像頭在視覺導航、避障等方麵的應用。飛控計算機（Flight Controller）硬件：介紹主流的飛控硬件平颱，如Pixhawk、ArduPilot等，以及它們集成的微處理器、內存和I/O接口。控製算法與穩定增穩： PID控製算法：詳細講解比例（P）、積分（I）和微分（D）環節的作用，以及如何通過調整PID參數來實現MAV的姿態穩定和航嚮保持。狀態估計算法：介紹卡爾曼濾波（Kalman Filter）等算法在融閤多傳感器數據、提供精確狀態估計方麵的作用。航路規劃與導航：探討如何利用GPS/GNSS信息和飛控算法實現預設航點的飛行、路徑跟蹤以及自主返航等功能。執行器與舵機：舵機（Servos）：介紹其工作原理，以及如何通過舵機控製副翼、升降舵、方嚮舵等舵麵，實現MAV的機動飛行。電調（ESC）與電機控製：再次強調ESC在控製電機推力方麵的作用，以及如何與飛控算法協同工作。飛行模式與參數整定：介紹不同的飛行模式（如手動模式、定高模式、定點模式、自動模式），以及如何對控製參數進行有效的整定，以獲得最佳的飛行性能和穩定性。第五章 MAV通信與遙測係統本章側重於MAV的通信鏈路設計，包括遙控、遙測以及數據傳輸，確保遠程操作的可靠性和信息的實時獲取。我們將詳細介紹：無綫通信技術： ISM頻段（如433MHz, 915MHz, 2.4GHz, 5.8GHz）：分析不同頻段的特點，包括傳輸距離、帶寬、抗乾擾能力以及法規限製。調製解調方式：介紹ASK, FSK, PSK等常見的調製解調技術，以及它們對數據傳輸可靠性和效率的影響。通信協議：探討MAV通信中常用的通信協議，如MAVLink、CRSF等，以及它們在數據幀結構、校驗和糾錯方麵的設計。遙控係統設計：發射機（遙控器）與接收機：分析遙控器的編碼、傳輸方式以及接收機的解碼、抗乾擾能力。通道分配與控製指令：介紹如何將遙控器上的操作（如搖杆、開關）映射到MAV的各個控製通道，實現對飛行姿態、模式切換等指令的發送。安全冗餘與失控保護：強調通信鏈路的可靠性設計，包括跳頻、糾錯碼的應用，以及失控保護機製（如自動返航、安全降落）的設計。遙測係統設計：遙測數據內容：列舉MAV上需要采集和迴傳的關鍵遙測數據，包括飛行狀態（高度、速度、姿態、GPS坐標）、動力係統狀態（電池電壓、電流、溫度）、傳感器狀態等。數據傳輸速率與帶寬：分析不同遙測數據量對通信帶寬的需求，以及如何選擇閤適的傳輸速率以保證數據的實時性和完整性。地麵站軟件：介紹地麵站軟件的功能，包括數據接收、可視化顯示（地圖、儀錶盤）、參數設置、任務規劃等，以及如何實現與MAV的交互。數據鏈路的可靠性與安全性：討論如何通過加密、身份驗證等技術提高通信鏈路的安全性，防止未經授權的接入和乾擾。第六章 MAV任務規劃與應用本章將聚焦於MAV在不同領域的應用，以及如何進行有效的任務規劃，以實現預期的目標。我們將涵蓋：常見MAV應用領域：航空攝影與測量：詳細介紹MAV在航拍、地形測繪、三維建模、文物保護等領域的應用，以及對MAV載荷（相機、傳感器）的要求。環境監測與農業：探討MAV在農作物生長監測、病蟲害防治、精準施肥、環境汙染監測等方麵的作用。安防與巡檢：分析MAV在邊境巡邏、基礎設施（電力綫、管道）巡檢、災害搜救等方麵的應用。物流配送（前景）：展望MAV在短程、小批量物品配送方麵的潛力。任務需求分析：飛行距離與續航時間：根據任務需求，確定MAV所需的續航能力和最大飛行距離。載荷能力與傳感器配置：根據任務目標，選擇閤適的相機、傳感器、投放裝置等載荷，並評估MAV的載荷攜帶能力。作業精度與分辨率：針對測量、監測等任務，明確所需的作業精度和數據分辨率。任務規劃流程：飛行區域分析：考慮地形、障礙物、空域限製、天氣條件等因素，規劃可行的飛行區域。航綫設計：基於任務需求，設計高效、覆蓋全麵的航綫，包括航點設置、航高、航速等參數。安全考量：評估潛在風險，製定應急預案，確保任務過程中的飛行安全。數據處理與分析：影像處理：介紹航拍影像的拼接、校正、建模等技術。傳感器數據分析：探討如何對監測數據、測量數據等進行有效分析，提取有價值的信息。法規與倫理考量：簡要提及MAV使用相關的飛行法規、隱私保護以及倫理問題，強調負責任的使用。