基 礎(chǔ) 知 識 篇

第1章四旋翼無人機概述

1.1四旋翼無人機

1.2四旋翼無人機的起源和發(fā)展

1.3四旋翼無人機的飛行原理

1.3.1四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)布局

1.3.2四旋翼無人機的飛行

1.4四旋翼無人機的開源項目

1.4.1硬件部分

1.4.2軟件部分

1.5Paparazzi簡介

1.5.1Paparazzi的開源硬件

1.5.2Paparazzi的開源軟件

小結(jié)

第2章四旋翼無人機的硬件

2.1機架

2.1.1機架支臂的材質(zhì)

2.1.2機架的其他性能指標(biāo)

2.2電機

2.2.1直流有刷電機

2.2.2直流無刷電機

2.3電子調(diào)速器

2.3.1電子調(diào)速器的硬件

2.3.2電子調(diào)速器的軟件

2.4螺旋槳

2.5電池

2.6遙控器

2.7數(shù)傳模塊

2.7.13DRRadio數(shù)傳電臺

2.7.2XBee數(shù)傳電臺

2.8Lisa系列自動駕駛儀

2.8.1Lisa/L系列自動駕駛儀

2.8.2Lisa/S系列自動駕駛儀

2.8.3Lisa/M系列自動駕駛儀

2.8.4Aspirin IMU模塊

2.9常用的微控制器簡介

2.9.1STM32F105RCT6微控制器

2.9.2STM32F405RGT6微控制器

2.10常用傳感器芯片簡介

2.10.1三軸陀螺儀和加速度計MPU60X0

2.10.2三軸磁強計HMC5883L

2.10.3氣壓計BMP085

2.10.4氣壓計MS5611

小結(jié)

第3章C語言和GCC編譯器

3.1C語言標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1K&R C語言標(biāo)準(zhǔn)

3.1.2ANSI C語言標(biāo)準(zhǔn)

3.1.3AMD1 C語言標(biāo)準(zhǔn)

3.1.4C99標(biāo)準(zhǔn)

3.1.5C11標(biāo)準(zhǔn)

3.2GCC的C語言擴展

3.2.1語句表達(dá)式

3.2.2標(biāo)號變量

3.2.3case范圍

3.2.4typeof關(guān)鍵字

3.2.5條件表達(dá)式的省略

3.2.6內(nèi)建函數(shù)

3.2.7內(nèi)聯(lián)函數(shù)

3.2.8內(nèi)聯(lián)匯編

3.2.9特殊屬性聲明

小結(jié)

第4章四旋翼的數(shù)學(xué)模型

4.1矢量定義和計算

4.1.1矢量定義

4.1.2矢量的計算

4.1.3矢量的微分

4.1.4科里奧利公式

4.2坐標(biāo)變換

4.2.1坐標(biāo)變換矩陣

4.2.2基元旋轉(zhuǎn)矩陣

4.2.3一般坐標(biāo)變換

4.2.4歐拉轉(zhuǎn)動定理

4.2.5坐標(biāo)變化的變化率

4.3常用坐標(biāo)系

4.3.1全球坐標(biāo)系

4.3.2本地坐標(biāo)系

4.3.3機體坐標(biāo)系

4.4常用坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換

4.4.1大地坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系

4.4.2地心坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系

4.4.3地心坐標(biāo)系到本地坐標(biāo)系

4.4.4本地坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系

4.5四元數(shù)理論

4.5.1四元數(shù)的定義和性質(zhì)

4.5.2四元數(shù)旋轉(zhuǎn)變換

4.5.3四元數(shù)和坐標(biāo)變換矩陣

4.5.4以四元數(shù)表示相對運動方程

4.6運動學(xué)方程和動力學(xué)方程

4.6.1質(zhì)點的運動學(xué)方程和動力學(xué)方程

4.6.2質(zhì)點系運動學(xué)方程和動力學(xué)方程

4.7剛體的運動方程

4.7.1剛體運動描述

4.7.2慣性矩陣

4.7.3剛體質(zhì)心運動方程

4.7.4剛體轉(zhuǎn)動方程

4.8旋翼

4.8.1旋翼的作用

4.8.2旋翼的基本參數(shù)

4.8.3旋翼的拉力

4.9四旋翼無人機的數(shù)學(xué)模型

4.9.1數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)定義

4.9.2四旋翼無人機的線運動

4.9.3四旋翼無人機的轉(zhuǎn)動

小結(jié)

第5章控制理論

5.1控制理論的基本概念

5.1.1控制的基本方式

5.1.2控制系統(tǒng)的性能

5.2PID控制器

5.2.1通斷控制器

5.2.2比例控制器（P控制器）

5.2.3比例積分控制器（PI控制器）

5.2.4比例微分控制器（PD控制器）

5.2.5比例積分微分控制器（PID控制器）

5.2.6PID控制器的改進(jìn)

5.3復(fù)合控制

5.3.1前饋控制

5.3.2按干擾補償?shù)膹?fù)合控制

5.3.3按輸入補償?shù)膹?fù)合控制

5.4前置濾波器

5.5常用數(shù)字濾波算法

5.5.1算術(shù)平均值濾波

5.5.2加權(quán)平均值濾波

5.5.3遞推平均濾波（滑動平均濾波）

5.5.4中值濾波

5.5.5程序判斷濾波

5.5.6慣性濾波

5.5.7互補濾波

5.5.8卡爾曼濾波

5.5.9擴展卡爾曼濾波

5.6Paparazzi的四旋翼無人機控制系統(tǒng)

小結(jié)

實 踐 應(yīng) 用 篇

第6章Paparazzi軟件工具

6.1Paparazzi開發(fā)環(huán)境

6.1.1安裝Linux操作系統(tǒng)

6.1.2安裝Paparazzi開發(fā)工具

6.2Paparazzi Center簡介

6.2.1Paparazzi Center主窗口

6.2.2Paparazzi Center的工具集

6.2.3Paparazzi Center的地面控制站

6.2.4飛行計劃編輯

6.2.5飛行仿真

小結(jié)

第7章Paparazzi四旋翼無人機的配置文件

7.1機身配置

7.1.1Airframe的文檔類型定義

7.1.2固件設(shè)定

7.1.3設(shè)置執(zhí)行元件參數(shù)

7.1.4設(shè)置IMU校準(zhǔn)參數(shù)

7.1.5設(shè)置控制器參數(shù)

7.1.6加載模塊

7.1.7設(shè)置仿真參數(shù)

7.1.8設(shè)置電源監(jiān)測參數(shù)

7.1.9飛行模式設(shè)置

7.2飛行計劃配置

7.2.1飛行計劃文件文檔類型定義

7.2.2飛行計劃文件的根元素

7.2.3包含頭文件

7.2.4航程點設(shè)置

7.2.5飛行區(qū)域

7.2.6飛行任務(wù)

7.3可調(diào)參數(shù)配置

7.3.1通過遙控器調(diào)整參數(shù)

7.3.2通過數(shù)據(jù)鏈調(diào)整參數(shù)

7.4遙控器配置

7.5遙測信息設(shè)置

7.5.1信息格式的定義

7.5.2遙測信息的封裝

小結(jié)

第8章Paparazzi四旋翼無人機程序解析

8.1Paparazzi工程文件分析

8.2主函數(shù)解析

8.2.1系統(tǒng)初始化

8.2.2任務(wù)調(diào)度

8.2.3事件處理

8.3ABI消息機制

8.4IMU接口程序

8.5航姿參考系統(tǒng)

8.5.1AHRS模塊的對準(zhǔn)

8.5.2基于歐拉角的互補濾波算法

8.5.3基于四元數(shù)的互補濾波算法

8.5.4卡爾曼濾波算法

8.6組合導(dǎo)航系統(tǒng)

8.6.1垂直方向的組合導(dǎo)航

8.6.2水平方向的組合導(dǎo)航

8.7飛行計劃設(shè)置

8.7.1飛行計劃的用戶接口文件

8.7.2飛行計劃的C語言描述

8.7.3本地坐標(biāo)系原點設(shè)置

8.7.4航程點設(shè)置

8.7.5飛行任務(wù)設(shè)置

8.8飛行控制任務(wù)

8.8.1飛行控制任務(wù)主函數(shù)

8.8.2飛行模式設(shè)置

8.8.3導(dǎo)航信息的設(shè)置

8.8.4水平導(dǎo)航控制

8.8.5垂直導(dǎo)航控制

8.8.6姿態(tài)控制

8.9數(shù)據(jù)鏈通信

8.9.1通信協(xié)議棧

8.9.2應(yīng)用接口層

8.9.3傳輸協(xié)議層

8.9.4硬件接口層

小結(jié)

第9章四旋翼控制器參數(shù)整定

9.1姿態(tài)控制器整定

9.1.1數(shù)學(xué)模型簡化

9.1.2反饋控制器參數(shù)整定

9.1.3前饋控制器參數(shù)整定

9.1.4前置濾波器對控制參數(shù)的影響

9.2水平導(dǎo)航控制器整定

9.2.1數(shù)學(xué)模型簡化

9.2.2反饋控制器參數(shù)整定

9.2.3前饋控制器

9.2.4前置濾波器

9.3垂直方向控制器整定

9.3.1數(shù)學(xué)模型簡化

9.3.2反饋控制器參數(shù)整定

9.3.3前饋控制器

9.3.4前置濾波器

9.4影響控制器整定的其他因素

9.4.1數(shù)字化控制器

9.4.2多入多出系統(tǒng)

9.4.3控制器中的限幅

9.4.4噪聲的影響

9.4.5控制器參數(shù)整定的驗證

小結(jié)

第10章四旋翼無人機實例

10.1四旋翼無人機硬件選型和組裝

10.1.1硬件選型

10.1.2硬件組裝

10.2設(shè)定機型

10.3設(shè)定機身配置文件

10.3.1修改機身配置文件中的遙控器設(shè)定

10.3.2設(shè)置四旋翼機型布局

10.3.3設(shè)定IMU傳感器板的校準(zhǔn)信息

10.4創(chuàng)建遙控器配置文件

10.5靜態(tài)實驗

10.6實際飛行實驗

小結(jié)

附錄A氣壓高度測量

附錄BPaparazzi四旋翼無人機的代碼樹

附錄C乘性擴展卡爾曼濾波

附錄DMATLAB代碼

附錄E無人機航空攝影

參考文獻(xiàn)