Guidance and Control 2002 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Amer Astronautical Society

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002-11

价格:USD 100.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780877034926

丛书系列:

图书标签:

• Guidance
• Control
• Aerospace Engineering
• Flight Control
• Navigation
• Systems Engineering
• Automatic Control
• Robotics
• Applied Mathematics
• Engineering

先进导航与控制系统：原理、设计与应用 本书旨在全面、深入地探讨现代导航与控制系统的理论基础、关键技术、设计方法及其在航空、航天、机器人以及复杂工程系统中的实际应用。 本书内容涵盖了从经典控制理论的深入回顾，到现代鲁棒控制、最优控制、自适应控制等前沿领域的精妙结合，同时着重强调了传感器融合、状态估计、精确轨迹规划与执行的工程实现细节。 第一部分：导航与定位基础（Navigation Fundamentals） 本部分聚焦于确定系统在空间中位置、姿态和速度所需的基础理论与技术。 第一章：导航系统概述与坐标系变换 详细介绍了导航系统的基本结构，包括惯性导航、卫星导航（GNSS/GPS/北斗）、地面辅助导航等主要组成部分的工作原理。重点阐述了不同参考系之间的精确变换，如地心地固系（ECEF）、导航坐标系（NED/ENU）、以及与航天器或飞行器本体坐标系之间的欧拉角、四元数表示及其转换矩阵的推导与误差分析。讨论了地理坐标系（大地坐标系、球面坐标系）与笛卡尔坐标系的互转及其在不同应用场景下的适用性。 第二章：惯性导航系统（INS） 深入剖析了惯性测量单元（IMU）的工作原理，包括陀螺仪（角速率测量）和加速度计（比力测量）的物理结构、误差模型（如偏差、比例因子、随机游走噪声）。系统地推导了从比力到位置、速度、姿态的积分过程，包括欧拉微分方程组和更稳定的卡尔曼滤波状态方程的建立。讨论了对流体静力学误差、地球自转影响（科里奥利力和离心力）的补偿方法，以及高精度惯性系统（如光纤陀螺、激光陀螺）的性能特点。 第三章：卫星导航（GNSS）与定位原理 详细讲解了全球导航卫星系统（GNSS）的信号结构、测距原理（伪距、载波相位）。阐述了定位模型，包括单频、双频定位、相对定位（差分GPS/RTK）和绝对定位的几何精度因子（GDOP）。深入分析了影响定位精度的主要误差源，如对流层和电离层延迟、多路径效应、卫星钟差和星历误差。着重介绍了差分定位技术（DGPS, RTK）的实现机制及其在动态平台上的应用优势。 第四章：传感器信息融合与状态估计 本章是连接感知与控制的关键。详细阐述了贝叶斯滤波理论，重点是扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）以及粒子滤波（PF）在导航状态估计中的应用。建立了导航系统（INS/GNSS/磁力计/气压计）的多传感器融合框架，讨论了如何处理不同频率、不同精度观测值的异步融合问题，以获取高精度、高鲁棒性的位置、速度和姿态估计。 --- 第二部分：经典与现代控制理论基础（Control Theory Foundations） 本部分回顾和深化了驱动系统行为所需的数学工具和控制设计方法。 第五章：线性系统分析与时间/频率域设计 复习了状态空间表示法，包括可控性、可观测性的判据。在时间域，深入探讨了极点配置（Pole Placement）与反馈增益的计算，以及观测器设计（如Luenberger观测器）。在频率域，系统性地分析了传递函数模型、伯德图、奈奎斯特图，并引入了根轨迹分析，用于理解反馈对系统稳定性和性能的影响。 第六章：最优控制与性能指标 引入了性能指标函数（代价函数）的概念，重点讨论了线性二次型调节器（LQR）的设计。推导了代数黎卡提方程（ARE）的求解方法，并展示了如何根据输入/输出约束和性能要求选择合适的权重矩阵Q和R。此外，简要介绍了变分法与哈密顿-雅可比-贝尔曼（HJB）方程在非线性最优控制中的理论意义。 第七章：鲁棒性与不确定性处理 针对实际工程中系统参数未知或变化的挑战，本章侧重于鲁棒控制设计。详细讲解了H-无穷（$mathcal{H}_{infty}$）控制器的设计思想，如何将性能要求和不确定性模型映射到标准的$mathcal{H}_{infty}$控制问题框架中。分析了灵敏度函数和互补灵敏度函数，并探讨了$mu$-综合理论在处理结构化不确定性时的优势。 --- 第三部分：先进控制策略与实现（Advanced Control Strategies） 本部分关注于应对强非线性、时变系统的有效控制技术。 第八章：自适应控制与神经网络 探讨了当系统动态特性随时间变化时，如何实时调整控制器参数。详细介绍了间接自适应控制（基于参数估计）和直接自适应控制的结构。重点讲解了基于模型的参考自适应控制（MRAC），包括其基于误差的稳定性分析。同时，介绍了神经网络在系统辨识和自适应控制中的应用潜力，如RBF网络和多层感知机在近似非线性函数中的角色。 第九章：非线性控制基础 介绍了处理系统模型中固有限制和复杂非线性的方法。详细讲解了滑模控制（SMC）的设计原理，包括到达律的设计、切换函数的选择，以及如何使用等效控制来克服抖振（Chattering）现象。深入分析了反馈线性化技术，通过坐标变换将非线性系统转化为可控的线性系统，并讨论了其在存在未建模动态时的局限性。 第十章：轨迹规划与跟踪 本章将理论控制与实际运动轨迹相结合。讨论了在存在动力学约束下的最优轨迹生成方法，如时间最优控制和能量最优控制在机器人和飞行器路径规划中的应用。详细阐述了模型预测控制（MPC）的原理，包括其在线优化过程、约束处理能力，以及如何利用系统模型实现前馈和反馈的有效结合，以确保系统精确跟踪预定轨迹。 --- 第四部分：系统集成与工程应用（System Integration and Application） 本部分将理论知识应用于实际工程平台，关注实际操作中的挑战与解决方案。 第十一章：航空航天器控制系统设计 以无人机（UAV）或航天器为例，具体分析了姿态控制（ACS）的设计流程。讨论了气动弹性效应、气动力不确定性对控制器设计的约束。详细介绍了六自由度（6-DOF）飞行动力学模型的建立，以及姿态内环与轨迹外环的解耦控制策略（如级联控制）。针对航天器，讨论了轨道机动控制、姿态维持与捕获（Rendezvous）的特殊控制要求。 第十二章：机器人与复杂机电系统控制 探讨了多关节机器人和移动机器人的动力学建模（如Lagrange-Euler方法）。重点分析了操作空间与关节空间控制器的转换，以及力/阻抗控制在人机交互、柔顺操作中的重要性。针对移动机器人，阐述了非完整约束（如阿克曼转向模型）下的运动学控制与路径跟踪问题。 第十三章：系统验证、仿真与实时实现 强调了从理论到实际部署的关键步骤。详细介绍了高保真系统级仿真环境（如Simulink/Stateflow）的构建，包括非线性模型集成、传感器噪声注入和环境建模。讨论了数字控制器的实时实现挑战，包括采样时间的选择、量化误差、以及硬件在环（HIL）测试在验证控制器鲁棒性和安全裕度中的作用。 总结 本书结构严谨，内容详实，力求平衡理论的深度与工程实践的广度。通过对导航状态估计的精准把握，结合先进控制理论的强大工具箱，读者将能够独立设计、分析并实现高性能、高可靠性的复杂动态系统的导航与控制解决方案。本书适合于航空航天、机器人、自动化工程领域的研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生使用。

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