梯度风滑翔是一种可实现无人飞行器长航时和远距离飞行的特殊飞行方式。
《无人飞行器梯度风滑翔建模与控制》通过飞行器动力学建模、梯度风动态滑翔能量获取机理分析、航迹优化方法、梯度风能利用策略分析、梯度风动态滑翔系统的平衡稳定性分析等研究，为无人飞行器利用梯度风能实现其长航时和远距离飞行提供了基本的设计思路和分析方法，同时为实现以任务规划为前提的风梯度动态滑翔航迹优化提供了技术支撑。
《无人飞行器梯度风滑翔建模与控制》适合飞行器设计专业的高年级本科生和研究生使用，也可供从事飞行器设计工作的研究人员和工程技术人员参考。
长航时和远距离飞行是无人飞行器性能拓展的前沿方向之一。本书研究了如何利用蕴含在大气环境中的能量进行绿色飞行的新模式，这种飞行模式通过形成周期性的动态滑翔轨迹，依靠穿越特殊的风场——物理量呈梯度变化的区域中获取能量，用较少或基本不用自身携带的能源进行飞行。在自然界中存在有先进的“榜样”——信天翁，这种海鸟利用海面梯度风场以动态滑翔的方式实现其环球飞行。梯度风动态滑翔以其无污染、零排放的独特优势，是未来无人飞行器研究的重要方向之一。
早在1883年，英国科学家Lord Rayleigh在NATURE杂志上发表了关于信天翁利用海面上空风场飞行的论文。在文中，Rayleigh描述了信天翁在不扇动翅膀的情况下，可以在海面上空变化的风场中进行远距离飞行。同时，他提出信天翁能够在海面进行远距离飞行必须满足两个条件：一是飞行过程不是水平的，或者说不能准确地保持某一水平高度；二是风场不是均匀的。Rayleigh认为信天翁之所以能够利用不均匀风滑翔是因为信天翁相对于空气的速度的改变。
梯度风动态滑翔作为可实现无人飞行器长航时和远距离飞行的一种重要辅助策略，其合理的利用涉及诸多问题的研究和破解，包括梯度风场参数感知、梯度风能的转换机理、航迹规划、多目标优化设计、能量优化控制等方面。其中，如何实现动态滑翔过程中不断获取蕴含在风场中的能量是核心问题之一。
本书作者从2012年开始从事无人飞行器梯度风动态滑翔相关的研究工作。在研究过程中，深入分析了无人飞行器梯度风动态滑翔这一特殊飞行模式，通过飞行器动力学建模、梯度风动态滑翔能量获取机理分析、航迹优化方法、梯度风能利用策略分析、梯度风动态滑翔系统的平衡稳定性分析、梯度风动态滑翔的最优控制等，为无人飞行器利用梯度风能实现其长航时和远距离飞行提供了基本的设计思路和分析方法，同时为实现以任务规划为前提的风梯度动态滑翔航迹优化提供了技术支撑，对拓展无人飞行器应用新能源具有十分重要的意义。现将相关研究工作整理出版，希望对无人飞行器的梯度风动态滑翔的发展与应用有所帮助。
第1章 绪论
1．1 引言
1．1．1 无人飞行器的应用
1．1．2 梯度风滑翔的由来
1．1．3 梯度风滑翔的类型
1．2 国外梯度风滑翔研究综述
1．2．1 梯度风场感知与建模综述
1．2．2 梯度风滑翔机理与航迹优化研究综述
1．2．3 梯度风动态滑翔机的设计和飞行实验综述
1．3 国内梯度风滑翔研究综述
第2章 梯度风滑翔的运动机理和运动特性分析
2．1 自然界中适合梯度风动态滑翔的风场条件
2．1．1 大气中适合梯度风动态滑翔的条件
2．1．2 风场建模
2．2 梯度风动态滑翔建模坐标系的选择
2．3 无人飞行器的动力学建模
2．4 能量方程
2．5 梯度风动态滑翔航迹优化方法
2．6 梯度风动态滑翔中边界问题分析
2．7 本章小结
第3章 梯度风动态滑翔的航迹方向范围分析
3．1 梯度风动态滑翔航迹与能量获取关系
3．1．1 梯度风动态滑翔航迹的特点
3．1．2 梯度风动态滑翔航迹方向角分析
3．1．3 梯度风动态滑翔航迹的分段分析
3．2 仿真分析与讨论
3．2．1 优化问题的设置
3．2．2 优化问题的求解
3．3 典型切入角的分析
3．4 本章小结
第4章 基于航迹设计的梯度风能利用策略分析
4．1 梯度风动态滑翔中的任务规划
4．2 建模与分析
4．3 梯度风动态滑翔的航迹边界约束
4．4 关于远距离与长航时的能量计算方法
4．4．1 长航时开环模式
4．4．2 长航时闭环模式
4．4．3 远距离开环模式
4．5 梯度风动态滑翔过程中的非线性控制问题
4．6 三种模式下梯度风动态滑翔的相关特征
4．7 本章小结
第5章 梯度风动态滑翔系统的平衡点
5．1 数学建模
5．2 平衡曲线方程
5．2．1 求解平衡方程
5．2．2 平衡曲线的存在性
5．3 平衡上升指标判据
5．3．1 最优升力系数
5．3．2 最小风梯度与环境因子
5．3．3 翼载荷
5．4 平衡曲线和能增纺锤体
5．5 本章小结
……
第6章 平衡曲线的稳定性与分岔
第7章 梯度风动态滑翔系统的平衡点和最优控制
第8章 总结与展望
参考文献
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