第1章 空中機器人(四旋翼無人機)概述 1 1.1 引言 1 1.2 空中機器人概述 2 1.2.1 空中機器人的定義 2 1.2.2 空中機器人的分類 3 1.2.3 空中機器人的應用 3 1.3 四旋翼無人機概述 4 1.3.1 多旋翼無人機的研究與發展 4 1.3.2 四旋翼無人機的控制技術 6 1.3.3 四旋翼無人機的特點 8 1.3.4 四旋翼無人機的應用 9 本章小結 10 習題 10 第2章 四旋翼無人機的機體結構與飛行機理 12 2.1 引言 12 2.2 四旋翼無人機的機體結構 13 2.2.1 四旋翼無人機的基本結構 13 2.2.2 四旋翼無人機的基本組成 14 2.3 四旋翼無人機的飛行控制 16 2.3.1 四旋翼無人機的飛行控制原理 16 2.3.2 四旋翼無人機的飛行控制特點 17 2.4 四旋翼無人機的飛行機理 18 2.4.1 四旋翼無人機的飛行特點 18 2.4.2 四旋翼無人機的基本運動狀態 19 2.4.3 四旋翼無人機的復雜飛行動作和控制 21 本章小結 28 習題 28 第3章 四旋翼無人機的硬件結構設計 29 3.1 引言 29 3.2 機架 29 3.2.1 機架的分類 29 3.2.2 機架的數據參數 31 3.2.3 機架的使用規范 33 3.3 電機 34 3.3.1 電機的分類 34 3.3.2 電機的數據參數 37 3.3.3 電機的控制原理 38 3.3.4 電機的位置傳感器 39 3.4 電子調速器 40 3.4.1 電子調速器的工作原理 40 3.4.2 電調的分類 41 3.4.3 電調的數據參數 41 3.4.4 電調的使用規范 42 3.5 電源模塊(充電電池與充電器) 42 3.5.1 充電電池的分類 42 3.5.2 充電電池的性能參數 43 3.5.3 充電器的介紹 45 3.6 螺旋槳 46 3.6.1 螺旋槳簡介 46 3.6.2 槳葉的分類 46 3.6.3 螺旋槳的數據參數 48 3.6.4 螺旋槳的性能評估 48 3.6.5 螺旋槳的使用規范 49 3.7 接收機 50 3.7.1 接收機簡介 50 3.7.2 接收機的通信標準 50 3.8 遙控器 51 3.9 飛行控制器 53 3.9.1 飛行控制器簡介 53 3.9.2 微控制單元 53 3.9.3 飛行控制器的主要功能 55 本章小結 56 習題 57 第4章 四旋翼無人機的模型構建 58 4.1 引言 58 4.2 四旋翼無人機的坐標系描述 58 4.3 四旋翼無人機的姿態描述 59 4.4 四旋翼無人機的數學建模 61 4.4.1 建模的方法和步驟 61 4.4.2 四旋翼無人機的模型簡化 62 4.4.3 動力學建模 63 4.4.4 轉子動力學建模 66 本章小結 67 習題 67 第5章 四旋翼無人機的傳感器 68 5.1 引言 68 5.2 慣性測量單元 68 5.2.1 慣性測量單元簡介 68 5.2.2 三軸陀螺儀 69 5.2.3 三軸加速度計 69 5.2.4 磁力計 70 5.2.5 常用的六軸慣性測量單元(MPU6050) 71 5.3 導航系統 72 5.3.1 導航系統簡介 72 5.3.2 導航系統的分類 72 5.3.3 北斗衛星導航系統 73 5.3.4 全球定位系統 75 5.4 其他傳感器模塊 82 5.4.1 氣壓計 82 5.4.2 超聲波傳感器 83 5.4.3 激光測距傳感器 84 5.4.4 視覺傳感器 85 5.4.5 空速計 86 本章小結 86 習題 86 第6章 四旋翼無人機的傳統控制 88 6.1 引言 88 6.2 PID控制 88 6.2.1 PID控制簡介 88 6.2.2 PID控制器的基本原理 89 6.2.3 PID控制器的結構分析 90 6.2.4 PID控制器的設計 92 6.2.5 仿真與分析 93 6.2.6 PID控制器的相關程序 97 6.3 LQR控制 99 6.3.1 LQR控制簡介 99 6.3.2 LQR控制原理 99 6.3.3 基于LQR的四旋翼無人機姿態控制器設計 100 6.3.4 仿真與分析 102 6.3.5 LQR控制核心程序 104 6.4 自抗擾控制 104 6.4.1 自抗擾控制簡介 104 6.4.2 基本原理 105 6.4.3 基于自抗擾控制器的設計 107 6.4.4 仿真與分析 108 6.4.5 自抗擾控制器設計的相關程序 109 本章小結 112 習題 112 第7章 四旋翼無人機的優化控制 113 7.1 引言 113 7.2 滑模控制器的設計 114 7.2.1 滑模控制器簡介 114 7.2.2 位置控制器的設計 115 7.2.3 姿態控制器的設計 116 7.2.4 微分器的設計 117 7.3 滑模-CMAC聯合控制算法設計 118 7.4 系統仿真與結果 122 7.4.1 仿真流程 122 7.4.2 仿真結果 124 7.4.3 源程序 127 本章小結 166 習題 166 第8章 四旋翼無人機的路徑規劃 167 8.1 引言 167 8.2 APF算法 168 8.2.1 基本原理 168 8.2.2 仿真與分析 169 8.2.3 APF算法程序 170 8.3 Dijkstra算法 173 8.3.1 基本原理 173 8.3.2 仿真與分析 174 8.3.3 Dijkstra算法程序 175 8.4 A*算法 181 8.4.1 基本原理 181 8.4.2 算法流程 181 8.4.3 啟發函數 183 8.4.4 仿真與分析 183 8.4.5 A*算法程序 184 8.5 RRT算法 191 8.5.1 基本原理 191 8.5.2 仿真與分析 193 8.5.3 RRT算法程序 193 8.6 RRT*算法 197 8.6.1 基本原理 197 8.6.2 仿真與分析 199 8.6.3 RRT算法程序 200 本章小結 207 習題 207 第9章 多層多源無人機信息融合技術 208 9.1 引言 208 9.2 多傳感器測高模型 209 9.2.1 氣壓計測高模型 209 9.2.2 GPS測高模型 209 9.2.3 加速度計測高模型 209 9.3 信息融合無人機測高設計 210 9.3.1 一步延遲時間融合算法設計 210 9.3.2 多層多源無人機信息融合算法設計 211 9.4 試驗驗證與結果 216 本章小結 221 習題 221 參考文獻 222