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出版者:AIAA (American Institute of Aeronautics & Ast

作者:Jay Gundlach

出品人:

页数:805

译者:

出版时间:2012-7-26

价格:USD 109.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781600868436

丛书系列:

图书标签:

• 无人机
• 无人机
• 航空航天工程
• 飞行器设计
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• 航空

深入探索地面机器人：运动、感知与控制的综合指南 图书名称： Ground Robotics: Locomotion, Perception, and Control – A Comprehensive Guide 图书简介： 本著作《地面机器人：运动、感知与控制——一部综合指南》旨在为机器人工程、自动化、机械设计以及计算机科学领域的学生、研究人员和专业工程师提供一个全面而深入的视角，聚焦于当今机器人技术中最具挑战性和实用性的领域之一：地面移动机器人。 本书的核心理念在于构建一个严谨的理论框架与丰富的工程实践相结合的知识体系，确保读者不仅理解地面机器人的基本原理，更能掌握设计、实现和部署复杂自主地面系统的关键技术。我们摒弃了对空中系统的任何讨论，将所有精力集中于轮式、履带式和足式等地面平台的特有物理限制、环境交互机制及其相应的控制策略。 第一部分：地面运动学与动力学基础 (Ground Kinematics and Dynamics) 本书的开篇部分奠定了地面机器人运动学的数学基础。我们详细剖析了不同类型地面机器人——包括全向轮（Omni-wheels）、差速驱动（Differential Drive）、阿克曼转向（Ackermann Steering）以及多足（Legged）系统——的运动学建模。不同于空中系统依赖的欧拉角或四元数表示，地面机器人更侧重于对约束运动（Constrained Motion）的描述，例如非完整性约束（Nonholonomic Constraints）。我们将深入探讨雅可比矩阵（Jacobian Matrices）在描述瞬时速度与关节角度关系中的应用，并引入零空间分析，以理解机器人在特定构型下自由运动（Drift）的可能性。 动力学部分则超越了简单的运动描述。我们采用拉格朗日（Lagrange）和牛顿-欧拉（Newton-Euler）方法，推导了包含摩擦力、地面反作用力和驱动器扭矩的完整非线性动力学模型。特别关注的是地面接触模型（Ground Contact Models），例如Morrow或Pacejinkan模型，它们对于预测高动态机动（如急转弯或越障）下的稳定性至关重要。对于足式机器人，书中详细阐述了接触状态规划（Contact State Planning）及其对步态生成的影响，这与无人机简单推力矢量控制的思维模式截然不同。 第二部分：环境感知与状态估计 (Environmental Perception and State Estimation) 地面机器人的自主性严重依赖于其对周围环境的精确感知。本部分将聚焦于用于地面导航的传感器技术及其数据处理方法。我们全面覆盖了以下关键领域： 1. 距离测量与地图构建： 激光雷达（LiDAR）和立体视觉（Stereo Vision）是构建环境地图的两大支柱。书中详细讨论了点云处理技术，如降采样、分割和特征提取。我们重点探讨了SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）在地面环境中的挑战，特别是环路闭合（Loop Closure）在长时间、大尺度室外运行中的鲁棒性要求。与空中系统在三维空间自由漂移不同，地面SLAM必须处理垂直方向的精度锁定问题。 2. 定位与姿态估计： 惯性测量单元（IMU）和轮式编码器是核心。我们深入研究了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在融合多源异构数据中的应用，特别是如何有效整合GPS/GNSS信号（在城市峡谷或树木茂密的区域会失效）与纯粹的里程计数据。书中还介绍了基于视觉里程计（Visual Odometry, VO）和视觉-惯性里程计（VIO）的先进技术，强调它们如何应对地面特有的侧滑（Slip）和车轮打滑（Skid）导致的误差积累。 3. 语义感知： 现代地面机器人必须理解其环境的“含义”。我们探讨了基于深度学习的图像分割和目标检测技术，用于识别可通行区域（Traversable Terrain）、障碍物（如路缘石、灌木）和特定地标。 第三部分：路径规划与运动控制 (Path Planning and Motion Control) 自主导航是地面机器人的最终目标。本部分将系统地介绍如何从感知数据过渡到实际的机器人动作。 1. 全局与局部路径规划： 我们详细比较了基于图搜索的经典算法（如Dijkstra, A），以及在连续空间中更有效的基于采样的算法（如RRT, PRM）。书中重点强调了基于成本函数（Cost Function-based）的规划，该函数必须同时考虑能耗、运动平滑度、避障需求以及动力学可行性。 2. 运动控制与轨迹跟踪： 这是连接规划与执行的关键环节。我们区分了两种主要的控制范式： 基于误差的反馈控制： 详细分析了纯航向控制（Pure Pursuit）、前视点控制（Look-Ahead Control）以及横向/纵向解耦控制。 基于模型的控制： 重点介绍模型预测控制（MPC）。MPC在处理非完整性约束、预测未来状态以及实时优化控制输入方面表现卓越，是实现高速、高精度轨迹跟踪的行业标准方法。书中将通过具体的地面机器人案例，展示如何构建和求解MPC优化问题。 3. 越障与地形适应性控制： 与在平面上飞行的无人机不同，地面机器人必须主动与不规则地形交互。本章讨论了如何利用力矩控制（Torque Control）或姿态调节来应对陡坡、岩石或泥泞地面，确保机器人在复杂地形上的稳定性和持续前进能力。 第四部分：系统集成与鲁棒性 (System Integration and Robustness) 最后一部分关注将理论模型转化为在现实世界中可靠运行的系统。我们探讨了实时操作系统（RTOS）的选择、传感器数据同步机制（Time Synchronization），以及如何设计健壮的故障检测与恢复（FDIR）策略。本书通过多个实际案例研究，展示了如何将运动学、感知和控制模块无缝集成到一个高效的软件架构中，以应对天气变化、传感器噪声和不可预测的人类/环境干扰。 本书特色： 聚焦地面特有挑战： 彻底排除了空气动力学和悬停控制的讨论，专注于摩擦、地面接触、非完整性约束和地形交互。 理论与实践并重： 每一个关键概念都配有详细的数学推导，并辅以仿真（如Gazebo）和真实硬件平台的案例分析。 工程导向： 强调MPC、高级SLAM技术以及动力学建模在实现高动态地面自主性中的核心地位。 《地面机器人：运动、感知与控制》是所有致力于开发下一代自主地面车辆（AGV）、无人探险车、农业机器人或服务机器人的工程师和学者的必备参考书。

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我以一个对无人机安全性充满关注的普通读者的身份来评价《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书。在我看来，这本书在强调技术的同时，也给予了安全设计足够的重视。书中关于无人机适航性和认证的部分，对我理解无人机为何能够合法合规地在天空中飞行至关重要。作者介绍了相关的法规标准和设计要求，比如如何确保飞控系统的冗余设计、故障容错能力，以及如何进行严格的地面和空中测试，以证明无人机的安全性。此外，书中还深入探讨了无人机反制措施的设计，比如如何防止无人机被非法操控或被恶意攻击。这让我意识到，无人机安全是一个多维度的概念，既包括自身运行的安全，也包括防止被滥用的安全。这本书让我对无人机行业的规范化发展有了更深的认识，也对未来无人机在公共安全领域的应用增加了信心。它让我明白，先进的技术必须建立在可靠的安全保障之上。

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我最近刚读完一本关于无人机系统设计的书，叫做《Designing Unmanned Aircraft Systems》。虽然书名听起来很专业，但我作为一个对无人机充满好奇心的普通读者，也从中受益匪浅。这本书给我最深刻的印象是它对无人机设计过程的全面性。它不仅仅是告诉我们如何画图纸，而是从最基础的空气动力学原理开始，一步步深入到飞控系统、通信系统、能源系统，甚至是任务载荷的设计。我尤其喜欢其中关于气动布局设计的章节，作者用了很多形象的比喻来解释不同翼型和机身形状对无人机性能的影响，让我这个非专业人士也能理解得八九不离十。而且，书中还穿插了很多实际案例，比如如何根据任务需求选择合适的无人机平台，或者在设计过程中如何权衡成本和性能。这些案例让我觉得这本书非常实用，不仅仅是理论堆砌，而是真正能指导我们在实际中进行无人机设计的。此外，书中还提到了无人机在不同领域的应用，从军事侦察到农业植保，再到物流配送，让我对无人机的未来发展有了更深的认识。总而言之，这本书为我打开了一扇通往无人机世界的大门，让我对这个充满科技感和未来感的领域有了更清晰的认识。

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《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书，我更倾向于从一个对航空科技前沿充满兴趣的旁观者角度来解读。它让我有机会窥探到无人机技术背后那令人惊叹的“硬核”实力。书中对无人机控制系统特别是自动驾驶和人工智能应用的讨论，让我感到尤为震撼。作者深入浅出地介绍了各种控制算法，例如PID控制、模型预测控制，以及如何利用机器学习和深度学习技术来实现更高级别的自主性，比如自主起降、自主航线规划、甚至是在未知环境中进行自主探索。这部分内容让我对无人机的未来充满了无限的遐想，想象着它们能够独立完成越来越复杂的任务。此外，书中还讨论了无人机系统的生命周期管理，包括维护、升级和退役等环节。这让我认识到，无人机的设计不仅仅是制造过程，而是贯穿其整个“生命”的系统工程。这本书的价值在于，它不仅展示了当前无人机技术的先进水平，更指明了未来发展的大致方向，让我对这个领域的发展充满期待。

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《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书给我的感觉就像是一份精心准备的无人机工程师培训手册，而且非常注重细节。我之前对无人机的一些了解都比较碎片化，可能就是看过一些新闻，或者在网上搜过一些资料。但这本书则系统地梳理了无人机系统设计的整个流程，从概念提出、需求分析，到方案设计、详细设计，再到最后的集成测试和验证。让我印象特别深刻的是关于传感器选择和集成的那部分内容。作者详细介绍了不同类型传感器的原理、特点以及在无人机上的应用场景，比如惯性测量单元（IMU）、GPS、雷达、激光雷达等等。更重要的是，它还讲到了如何将这些传感器的数据进行融合，以提高无人机的定位精度、感知能力和自主性。这部分内容对于理解无人机的“眼睛”和“大脑”是如何工作的至关重要。另外，书中还讨论了无人机的可靠性和安全性设计，这在民用和商用领域尤其关键。作者提出了一些预防措施和设计原则，以确保无人机在各种复杂环境下都能安全稳定地运行。这本书的内容深度和广度都让我感到惊喜，即使我对某些专业术语不太熟悉，也能通过作者的解释和图示逐渐理解。

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我对《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书的感受，就像是第一次走进了一个巨大的、充满奇思妙想的科技实验室。书中关于无人机结构设计的部分，给了我很大的启发。它不仅仅是关于如何设计一个能飞的“骨架”，更是关于如何在保证结构强度的前提下，最大限度地减轻重量，以提高无人机的机动性和续航能力。作者详细介绍了不同材料（如碳纤维、铝合金）的性能特点，以及如何通过合理的结构布局和制造工艺来优化设计。让我感到惊喜的是，书中还涉及到了无人机的声学设计，探讨如何降低无人机的噪音，这对于在人口密集区域或特殊环境下使用无人机非常重要。此外，书中对于无人机在极端环境下的适应性设计也有深入的讨论，比如防雨、防尘、抗震以及在低温或高温条件下的工作能力。这些细节的呈现，让我看到了工程师们在设计无人机时所付出的细致考量和不懈努力。这本书让我深刻体会到，每一个成功的无人机背后，都凝聚了无数的智慧和汗水。

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老实说，在读《Designing Unmanned Aircraft Systems》之前，我对无人机系统的理解仅仅停留在“一架会飞的摄像机”这个层面。这本书彻底颠覆了我的认知，它让我明白，一个真正意义上的无人机系统，其复杂程度远超我的想象。我特别欣赏书中关于任务规划和自主导航部分的讲解。作者详细阐述了如何根据任务目标，例如侦察、监控、搜索救援等，来制定最优的飞行路径和任务策略。这部分内容涉及到路径规划算法、避障技术以及目标识别与跟踪等关键技术。对我而言，这就像是给无人机“编写大脑”的过程，让它能够像人类一样思考和行动。此外，书中还深入探讨了无人机系统的集成和测试过程。作者强调了在设计早期就进行系统集成考虑的重要性，以及在不同阶段如何进行有效的测试和验证，以确保最终系统的稳定性和可靠性。这让我意识到，无人机不是单一的部件堆砌，而是一个高度协同工作的整体。这本书的内容非常扎实，即使某些技术细节可能需要一些背景知识才能完全理解，但整体的逻辑清晰，让我能够逐步掌握无人机设计中的核心概念。

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这本书，我从一个纯粹的无人机爱好者和潜在用户角度来评价。在我看来，《Designing Unmanned Aircraft Systems》不仅仅是一本技术手册，更是一本充满远见的行业洞察报告。它让我看到了无人机是如何从一个军事领域的“玩具”逐渐发展成为一个能够深刻改变我们生活方方面面的强大工具。书中关于无人机通信和控制链路设计的章节，对我来说尤为重要。我一直很好奇，为什么无人机在复杂地形或者远离操作员的情况下依然能保持稳定通信？这本书解释了各种无线通信技术的原理，比如跳频、扩频，以及如何设计可靠的遥控和遥测系统。它还深入探讨了无人机网络和编队飞行的话题，让我对未来无人机协同作战或大规模物流配送的场景有了更具体的想象。而且，书中对无人机能源管理和续航能力的分析也很有启发性。作者详细介绍了不同能源的优缺点，比如电池、内燃机、太阳能，以及如何在设计中优化能源效率，延长飞行时间。这一点对于任何希望无人机能承担更长任务周期的应用都至关重要。总的来说，这本书让我对无人机的可能性有了全新的认识，并激发了我进一步探索和学习的动力。

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《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书，我以一个对无人机应用场景充满好奇的普通读者的角度来评述。最让我印象深刻的是，这本书不仅仅关注无人机的“飞行”本身，而是将其视为一个完整的“系统”。它详细阐述了无人机在不同应用场景下的系统需求分析。比如，针对农业植保无人机，需要考虑载荷能力、喷洒精度、续航时间以及在复杂农田环境下的精准作业能力；而对于搜索救援无人机，则需要考虑大范围搜索能力、高分辨率成像、长时间续航以及与地面救援队伍的协同能力。这种基于应用的系统设计思路，让我觉得这本书非常贴近实际需求，而不是纸上谈兵。书中还重点讲解了无人机的人机交互界面设计，包括地面站软件的操作逻辑、信息显示方式以及与操作员的沟通方式。这一点对于无人机的易用性和操作效率至关重要。一个好的交互设计能够极大地降低操作难度，并提高任务的成功率。读完这本书，我仿佛看到了无人机在各个行业大放异彩的未来，而这本书正是这一切发生的基石。

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我最近拜读了《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书，从一个对航空科技发展充满好奇心的普通读者的角度，我想表达我的深刻印象。这本书最让我惊喜的是，它不仅仅聚焦于无人机的“飞行硬件”，而是将无人机视为一个庞大的“系统工程”。它深入探讨了无人机系统的整个生命周期，从最初的概念构思，到详细的设计、制造、测试，再到实际的应用和维护。我特别欣赏书中关于无人机在不同领域应用案例的分析，比如它如何被用于精确农业，通过遥感数据分析作物生长状况，实现精准施肥和灌溉；或者它如何被用于城市管理，进行交通监控、环境监测和应急响应。这些生动的案例让我切实感受到了无人机技术如何改变我们的生活。书中对无人机在供应链管理、物流配送等新兴领域的潜力也进行了展望，让我看到了无人机未来广阔的发展前景。这本书的价值在于，它提供了一个宏观的视角，让我能够理解无人机技术不仅仅是单一的技术突破，而是多学科交叉融合的产物，并为我们描绘了一个更加智能、高效的未来蓝图。

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《Designing Unmanned Aircraft Systems》这本书，让我从一个曾经对无人机只是“看热闹”的旁观者，转变成了一个能够“门道”其中的技术爱好者。我特别喜欢书中关于无人机组网和协同作业的章节。作者详细介绍了如何构建无人机网络，实现多架无人机之间的信息共享、任务协同和集群控制。这让我看到了未来无人机不仅仅是孤立的个体，而是能够组成强大的“无人机舰队”，执行更复杂、更高效的任务，比如大规模空中测绘、灾害监控、甚至是构建临时的通信网络。书中还提到了无人机集群的通信协议和调度算法，让我对这些“幕后英雄”的精密运作有了初步的了解。此外，作者还探讨了无人机与地面系统（如指挥中心、数据处理平台）的集成问题，以及如何构建一个完整的无人机生态系统。这本书的内容让我感受到了科技进步的巨大力量，以及无人机在未来社会中扮演的重要角色。

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