前言
旋翼飞行器在过去二十几年里取得了重大突破和较大应用进展，可实现其定点悬停、机动飞行、自主起降等飞行模式，目前在自然灾害侦查与救援、地图遥感测量、农业应用等方面得到了广泛的应用。
旋翼飞行机械臂是面向空中自主作业需求，将旋翼飞行器与多自由度机械臂相结合所提出的新型机器人，其核心思想源于移动机器人结合主动作业机构以扩展移动机器人的作业能力。
旋翼飞行机械臂是近年来出现的一个新概念，其主体为旋翼无人机与多自由度机械臂，可用的研究成果较少。旋翼无人机是一种依靠无线电控制信号远程遥控或由自身程序设定进行控制、不需要人为驾驶的无人飞机，常应用于军事侦察和航空航天测量等方面，目前也进入到民用领域，引起了全球广泛的关注。由于旋翼飞行器和多关节机械臂之间存在高度耦合特性，给系统动力学建模和精确位姿控制增加了困难，因此想要完全实现该系统的理想控制（比如识别目标后悬停于目标上空，实现精确抓取）还具有一定难度。
本书致力于研究解决机臂耦合问题，实现面向任务作业的三维动态环境感知与非结构作业环境不确定扰动作用下的协调控制与规划，设计旋翼飞行机械臂实验平台进行试验验证。
在当前“利用主动操作机构扩展移动机器人系统的功能”的大的研究势趋下，将旋翼飞行机器人与机械臂相结合的具有自主操作性的旋翼飞行器存在广阔的应用前景。但旋翼飞行器的特殊运动机理使得旋翼飞行机械臂系统的自主控制问题对控制理论提出新的挑战。
针对上述问题，本书提出了“旋翼飞行机械臂”这一机器人系统新概念，它是旋翼飞行机器人与机械臂的一种全新结合体，不仅具有广阔的应用前景，还能借此研究促进作业型机器人自主控制方法和理论的扩展及深入。针对旋翼飞行机械臂非结构环境自主作业中存在的机-臂耦合动力学特性建模与分析、面向任务作业的三维动态环境感知问题以及不确定扰动作用下的协调控制与规划三方面基础理论问题开展研究，以此构建旋翼飞行机械臂全新的研究体系。
本书的出版将推动我国关于带臂无人机的研究向纵深发展，从而拓展带臂无人机的应用领域，使其在各行业发挥更大的作用，对于机器人、无人机及机械臂的研究具有重要理论意义和学术价值。本书的出版填补了关于带臂无人机书籍的空白。
本书以提升旋翼飞行机器人在非结构环境中的自主作业能力为目标，尝试从建模、感知、控制与规划四方面建立旋翼飞行机械臂自主作业理论体系。首先建立多自由度旋翼飞行机械臂系统动力学模型，进行系统动力学特性分析；而后建立面向任务动态操作的环境感知方法；在此基础上建立面向任务的协调运动控制与协调动态规划方法；最后通过面向任务的实验研究进行理论成果实验验证。
本书共分8章，各章内容安排如下：
第1章为位置、姿态描述与坐标系变换，内容包括位置、姿态、坐标系变换、姿态的其他描述方法等。
第2章为旋翼无人机的建模分析，内容包括旋翼无人机系统的坐标系介绍、旋翼无人机的运动分析、旋翼的陀螺效应、旋翼的空气动力学效应、空气阻力、旋翼无人机模型的建立等。
第3章为旋翼无人机的运动信息估计，内容包括旋翼无人机系统中传感器简介、系统可观性分析、姿态估计、位置估计等。
第4章为旋翼无人机视觉定位方法及系统，内容包括视觉定位方法简介、相机标定、Kinect外部视觉定位、单目视觉系统、双目视觉系统等。
第5章为旋翼无人机的路径规划，内容包括旋翼无人机航迹规划的基本原理、旋翼无人机航迹规划方法综述、SLAM 算法、A*算法、人工势场法、生物启发神经动力学模型算法、航迹规划的融合算法等。
第6章为旋翼无人机控制器的设计，内容包括旋翼无人机控制框架、常用的控制算法及控制器的实现等。
第7章为机载操作臂，内容包括机载操作臂简介、机载操作臂运动学、速度和静力、机载操作臂动力学、机载操作臂的末端轨迹生成、机载操作臂的控制等。
第8章为带臂旋翼无人机，内容包括带臂旋翼无人机简介、带臂旋翼无人机的联合建模、带臂旋翼无人机的视觉伺服控制、带臂旋翼无人机的应用等。
本书作者从事智能无人飞行器的教学与科研工作十多年，积累了丰富的教学经验和可供参考的科研成果，对于本书的成功创作起到关键作用。此外，我们还参考了国内外同行专家的研究成果，在此，一并表示感谢。
在本书创作过程中，得到了研究生钟杭、李希、刘芯、韩奇、孙敬陶、殷旺、刘力铭、马小萍、张思远、李欣欣、王慧敏、尚畇凯、谭姗姗、潘豹、肖友伦、郑英帅、曹章、黄慧敏、余淼、李瑞涵、安果维、罗琼华的鼎力帮助，在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限，本书中不妥之处在所难免，恳请读者指正。
谭建豪 王耀南
2019年5月