本书基于飞行动力学和控制的理论和方法，研究了四旋翼飞行器飞行动力学和飞行控制系统的有关理论和设计问题。其主要内容包括基于动量法的性能计算、刚体动力学运动方程、平衡特性、小扰动线性化方程和运动稳定性等基本的飞行动力学问题；在上述基础上，对于悬停、垂直飞行和前飞三种飞行状态，研究了其飞行控制系统反馈结构原理并给出了详细的系统设计方法，以及对一架具体的四旋翼飞行器进行飞行控制系统设计和数学仿真。
本书适合从事多旋翼飞行器研究和制造的专业工作者、有关专业的研究生和本科生，以及广大爱好者参考使用，亦可作为高等院校的教科书使用。

第1章 多旋翼飞行器现状、发展及本书内容 001

第2章 四旋翼飞行器基本组成、原理和性能计算 007
2.1 飞行器的基本组成 007
2.2 气动布局特点 008
2.3 产生升力的方法 009
2.4 产生力矩的方法 010
2.5 力、力矩及运动变量在参考坐标系中的表示 011
2.6 姿态运动和操纵原理 013
2.7 轨迹运动和操纵原理 016
2.8 基本性能计算 017
2.8.1 悬停性能 018
2.8.2 垂直飞行性能 022
2.8.3 前飞性能 025
2.9 四旋翼飞行器性能计算实例 025
2.9.1 四旋翼飞行器的有关数据 025
2.9.2 悬停性能计算 026
2.9.3 垂直飞行性能计算 028
2.9.4 前飞性能计算 031
2.9.5 性能数据分析和应用 032

第3章 刚体运动方程 036
3.1 建立运动方程的意义、假设和方法 036
3.2 四旋翼飞行器所受力和力矩 038
3.2.1 升力 038
3.2.2 阻力 039
3.2.3 力矩 043
3.3 悬停运动方程 045
3.3.1 机体坐标系下的力方程 046
3.3.2 机体坐标系下的力矩方程 047
3.3.3 运动学方程 047
3.3.4 几何关系方程 048
3.4 垂直运动方程 048
3.5 前飞运动方程 050
3.5.1 速度坐标系下的力方程 050
3.5.2 机体坐标系下的力矩方程 051
3.5.3 运动学方程 052
3.5.4 几何关系方程 052

第4章 平衡运动特性 054
4.1 悬停平衡特性 054
4.1.1 平衡运动表示和方程 054
4.1.2 平衡运动条件和性质 055
4.2 垂直运动平衡特性 057
4.2.1 平衡运动表示及方程 057
4.2.2 平衡运动条件和性质 057
4.3 前飞运动平衡特性 059
4.3.1 平衡运动表示及方程 059
4.3.2 前飞速度条件和性质 059
4.4 前飞纵向机动性 063
4.4.1 机动性和意义 063
4.4.2 纵向机动性运动描述和静操纵性 063

第5章 小扰动线性化运动方程和传递函数 068
5.1 小扰动线性化运动方程的建立方法、意义和条件 068
5.2 基准运动和小扰动运动的解耦 069
5.3 悬停小扰动线性化方程和传递函数 071
5.3.1 基准运动方程 071
5.3.2 小扰动线性化方程的推导 071
5.3.3 小扰动运动的状态方程 074
5.3.4 小扰动运动的传递函数 075
5.4 垂直运动小扰动线性化方程和传递函数 083
5.4.1 基准运动方程 083
5.4.2 小扰动线性化方程的推导 083
5.4.3 小扰动运动的状态方程 084
5.4.4 小扰动运动的传递函数 085
5.5 前飞小扰动线性化方程和传递函数 086
5.5.1 基准运动方程 086
5.5.2 小扰动线性化方程的推导 087
5.5.3 小扰动运动的状态方程 089
5.5.4 小扰动运动的传递函数 092
5.6 运动稳定性和操纵性 100
5.6.1 一些共性问题的讨论 100
5.6.2 悬停稳定性和操纵性 102
5.6.3 垂直运动稳定性和操纵性 103
5.6.4 前飞稳定性和操纵性 104

第6章 姿态角控制 106
6.1 一般性问题讨论 106
6.1.1 姿态角速度动力学响应模型 106
6.1.2 姿态角速度控制系统的控制律结构 109
6.1.3 确定姿态角速度控制律初始参数的方法 112
6.1.4 姿态角控制系统及控制律参数设计 113
6.1.5 姿态角控制系统的工程实施问题 115
6.2 俯仰角控制系统 117
6.2.1 俯仰角控制系统和控制律 117
6.2.2 俯仰角控制系统对阶跃输入的响应特性 119
6.2.3 俯仰角控制系统的控制指令分配 120
6.3 滚转角和航向角控制系统 121
6.4 不同飞行状态下姿态控制问题 123

第7章 垂直速度和高度控制 124
7.1 垂直速度控制系统 124
7.1.1 垂直速度控制 124
7.1.2 垂直运动数学模型和控制律及参数确定方法 124
7.1.3 输出控制分配 127
7.1.4 垂直速度控制律的工程实现 128
7.2 高度保持控制系统 128
7.2.1 高度保持控制 128
7.2.2 控制律设计和参数确定方法 129
7.3 高度预选控制 130
7.3.1 高度预选控制问题 130
7.3.2 高度预选控制的实现方法 131
7.4 设计与仿真实例：垂直速度和高度控制系统 132
7.4.1 垂直飞行运动方程 132
7.4.2 垂直速度控制系统设计与数学仿真 132

第8章 前飞及协调转弯和高度控制 139
8.1 前飞及协调转弯控制问题 139
8.2 实现协调转弯的条件 140
8.3 协调转弯运动数学模型 140
8.4 协调转弯的实现和侧滑角控制系统设计 141
8.5 侧滑角的测量 142
8.6 输出控制分配 143
8.7 高度控制问题 143
8.8 设计与仿真实例：前飞控制系统 144
8.8.1 姿态控制系统设计 144
8.8.2 高度控制系统设计 145
8.8.3 横侧向轨迹控制系统设计 146
8.8.4 数学仿真设计 147
8.8.5 数学仿真过程及结果分析 148

第9章 横侧向轨迹控制 153
9.1 横侧向轨迹控制和运动学模型 153
9.1.1 横侧向轨迹控制问题 153
9.1.2 横侧向轨迹运动学模型 153
9.2 用协调转弯对横侧向轨迹进行控制 154
9.3 用滚转角控制对横侧向轨迹进行控制 156

第10章 悬停控制 160
10.1 悬停控制问题和实现方法 160
10.2 基于姿态角控制系统的悬停控制 160
10.3 使用位移速度控制系统的悬停控制 161
10.4 在确定位置处的悬停控制 164
10.5 设计与仿真实例：悬停控制系统 166
10.5.1 基于姿态控制的悬停控制系统设计与数学仿真 166
10.5.2 基于速度控制的悬停控制系统设计与数学仿真 172
10.5.3 定点悬停控制系统设计与数学仿真 177

参考文献 183

附录：实例四旋翼飞行器数据和运动方程 185