內容簡介

本書係統介紹瞭動手製作（DIY）一個微型四鏇翼飛行器的理論知識及實踐方法，主要目的是使讀者熟悉並掌握四鏇翼飛行器的飛行控製及組裝原理，熟悉並掌握航電設備的使用。本書以四鏇翼飛行器涉及的嵌入式係統基本概念、原理、定律和嵌入式係統軟/硬件開發方法為主綫，以“實際、實用、實踐”為原則，淡化理論深度，突齣工程應用，構建科學、協調、可操作的內容體係，知識結構閤理，注重課程交叉，及時引入課程*新發展成果。

作者簡介

陳誌旺博士，燕山大學副教授、碩導，主要從事預測控製、智能控製、嵌入式係統研發等方嚮的教學與科研工作，大學生創新性實驗計劃"嵌入式電動四鏇翼飛行器的設計及實現”"嵌入式四鏇翼飛行器自主飛行的設計及實現”指導教師，指導學生完成的"新型自適應四鏇翼飛行器”獲第12屆"挑戰杯"全國大學生課外學術科技作品競賽奬。

目錄

第1章 緒論
1．1 飛行器分類
1．2 無人機的概念
1．3 無人機自主飛行
1．3．1 自主飛行概念
1．3．2 無人機自主控製等級
1．3．3 無人機模塊化結構
1．4 國際空中機器人大賽
1．5 開源飛控
1．6 飛行器控製涉及的知識
第2章 空間坐標係及姿態角描述
2．1 滿足右手定則的坐標係
2．2 方嚮餘弦陣
2．2．1 二維坐標鏇轉
2．2．2 三維坐標鏇轉
2．3 歐拉角
2．4 由等效鏇轉矢量到四元數
2．4．1 嚮量點乘和叉乘
2．4．2 等效鏇轉矢量
2．4．3 復數形式四元數
2．5 四元數、歐拉角以及方嚮餘弦陣對比
第3章 四鏇翼飛行器數學模型
3．1 飛行要素
3．1．1 大氣飛行環境
3．1．2 伯努利定理
3．1．3 固定翼飛機的平飛
3．2 四鏇翼飛行器的飛行原理
3．3 四鏇翼飛行器的數學模型
3．3．1 數學模型概述
3．3．2 建模假設條件
3．3．3 動力子係統建模
3．3．4 動力學模型
3．3．5 運動學模型
3．3．6 模型的簡化
3．4 四鏇翼飛行器的特點
第4章 傳感器及姿態角測量
4．1 基本概念
4．2 MEMS
4．3 陀螺儀
4．3．1 機械陀螺儀原理
4．3．2 MEMS陀螺儀
4．3．3 ITG3200應用
4．4 加速度計
4．4．1 加速度計原理
4．4．2 LIS3VDQ結構
4．4．3 加速度計標定
4．5 磁羅盤
4．5．1 磁羅盤原理
4．5．2 磁羅盤LSM303DLH
4．5．3 磁羅盤標定
4．6 GPS
4．7 姿態角測量公式
4．7．1 俯仰角和滾轉角測量
4．7．2 偏航角測量
第5章 卡爾曼濾波
5．1 綫性係統狀態能觀
5．2 卡爾曼濾波原理
5．2．1 數學基礎
5．2．2 卡爾曼濾波算法
5．2．3 卡爾曼濾波案例1
5．2．4 卡爾曼濾波案例2
5．2．5 參數分析
5．2．6 擴展卡爾曼濾波
5．3 卡爾曼濾波在姿態解算中的應用
5．3．1 四元數微分方程
5．3．2 狀態模型
5．3．3 測量模型
5．3．4 卡爾曼濾波算法步驟
5．3．5 四鏇翼姿態解算代碼實現
第6章 動力係統
6．1 電動機
6．1．1 有刷電動機
6．1．2 空心杯電動機
6．1．3 無刷電動機特點
6．1．4 無刷電動機結構
6．1．5 無刷電動機工作原理
6．1．6 無刷電動機參數
6．2 電調
6．2．1 電調功能
6．2．2 電調原理
6．2．3 電調參數
6．3 電池
6．3．1 鋰電池簡介
6．3．2 電池參數
6．3．3 電池使用注意事項
6．4 螺鏇槳
6．4．1 螺鏇槳的作用
6．4．2 螺鏇槳的分類
6．4．3 螺鏇槳的參數
6．5 導綫
6．6 機架
第7章 嵌入式主控係統
7．1 微型計算機的組成
7．2 CM3體係結構
7．3 CM3寄存器
7．4 STM32的存儲結構
7．4．1 總綫接口
7．4．2 CM3存儲器組織
7．4．3 STM32存儲器映射
7．4．4 大端和小端
7．4．5 字節對齊
7．4．6 動態內存
7．5 ARM指令集
7．6 STM32F1和STM32F4的區彆
7．7 STM32的選型
7．8 嵌入式係統分層結構
第8章 PID控製算法
8．1 控製的基本過程
8．2 四鏇翼飛行器PID控製器原理
8．2．1 PID控製基本理論
8．2．2 控製規律的選擇
8．2．3 四鏇翼飛行器的串級PID控製
8．3 PID參數整定
8．3．1 PID參數對係統性能的影響
8．3．2 參數整定基本概念
8．3．3 單環PID參數整定
8．3．4 串級PID參數整定
第9章 嵌入式操作係統
9．1 操作係統基本概念
9．1．1 操作係統功能
9．1．2 操作係統工作過程
9．1．3 前後颱係統
9．1．4 實時操作係統
9．1．5 通用操作係統與實時操作係統的比較
9．2 飛行器與操作係統
9．3 操作係統中的任務
9．3．1 任務的特性
9．3．2 多任務的實現
9．3．3 任務劃分的目標
9．4 FreeRTOS操作係統簡介
9．5 FreeRTOS中的任務管理
9．5．1 FreeRTOS中的任務
9．5．2 相對延
9．5．3 絕對延
9．6 FreeRTOS中的互斥信號量
9．6．1 互斥信號量的概念
9．6．2 互斥信號量的應用
9．7 FreeRTOS中的任務通信
9．7．1 隊列概念
9．7．2 隊列通信案例
9．8 飛控操作係統中的任務及其通信
第10章 無綫通信
10．1 無綫通信原理
10．2 無綫電波
10．2．1 無綫通信按頻率分類
10．2．2 2．4GHz無綫技術簡介
10．2．3 2．4GHz無綫通信擴頻技術
10．．2．．4 2．4GHz無綫技術特點
10．3 手持遙控器工作原理
10．3．1 發射機
10．3．2 接收機
10．3．3 設備使用中需注意的問題
10．4 飛行器的其他無綫通信
第11章 飛手實訓
11．1 無人機就業職位要求
11．2 飛手練習方法
11．3 民用無人機空中交通管理辦法
11．4 飛行時的注意事項
11．4．1 人
11．4．2 機
11．4．3 環境
11．5 飛行器檢修及保養
附錄A 橢球相關程序
附錄B 卡爾曼濾波代碼
附錄C PID參數對係統性能影響試驗代碼
參考文獻

前言/序言

前言

本書主要講述動手製作（DIY）一個微型四鏇翼飛行器涉及的理論及實踐知識。四鏇翼知識體係主要涉及兩大方麵，即機械部分和電控部分，本書側重電控部分，以“四鏇翼電控開發工程師”為培養目標，而電控部分具體指“嵌入式係統開發”，按照嵌入式係統層次組成，本書各章節關係如下圖所示：

除瞭上述章節外，還包括第1章緒論和第11章飛手實訓。

本書與各章節理論相結閤給齣的代碼基於我們自己開發的飛控係統，該係統在首屆全國高校自動化專業青年教師實驗設備設計“創客大賽”中獲得銅奬（見下圖）。但本書的理論內容不拘泥於此，任選一款開源飛控，都可以參考本書進行四鏇翼飛行器的相關學習。

本書以應用為導嚮進行內容安排。例如，四元數的概念放到第2章，四元數的微分方程放到第5.3節；歐拉角的概念放到第2章，歐拉角奇點的概念在第3.3.5節中介紹，歐拉角和四元數的轉換放到第5.3節。

本書側重知識體係構建及引導案例設計，例如第7章和第9章，給齣瞭知識框架，而沒有分彆寫成“STM32係列芯片手冊”和“FreeRTOS庫函數手冊”，因為我們的目的是讓讀者在本書的指導下入門嵌入式學習，而芯片手冊等像磚頭一樣的參考資料可以上網下載，使用的時候查找即可。

本書反復論述的一個核心：“四鏇翼能夠飛行主要是依靠傳感器係統獲取位姿信息並反饋到微處理器進行控製係統的運算，然後驅動電動機完成姿態控製”分彆在第3、7、8、9章從不同方麵進行論述，希望讀者進行相應歸納。

現在是“互聯網架空大學”的時代，在四鏇翼開發實踐中，與其說四鏇翼是“做”齣來的，不如說是從搜索引擎“搜”齣來的，因此希望大傢和Baidu、Google做朋友，如果遇到一個四鏇翼動力係統參數匹配細節問題，可以搜索四鏇翼動力設計網頁；如果遇到嵌入式開發stm32固件庫函數使用上的問題，可以搜索固件庫文檔；如果遇到卡爾曼濾波、PID算法等典型任務，可以搜索示例代碼；當開發中遇到疑難雜癥時，可以提煉關鍵詞搜索是否有人遇到相同問題。總之，網絡就是大金礦，而搜索引擎就是采礦機器，善用搜索引擎可以幫助我們充分利用豐富的網絡資源來進行有效的學習和開發。

本書是DJI大疆創新産學閤作專業綜閤改革項目的成果之一，得到瞭國內多鏇翼知名企業大疆創新公司的支持，在此錶示感謝。

本書由陳誌旺等編著。其中，第1~3章、第7~10章和附錄由燕山大學陳誌旺編寫；第4章由國網黑龍江省電力有限公司佳木斯供電公司宋娟編寫；第6章由國網黑龍江省電力有限公司佳木斯供電公司陳誌興編寫；第11章由燕山大學寜誌鏇編寫；第5章由燕山大學呂宏詩編寫。全書由陳誌旺統稿。參加本書編寫的還有薛佳偉、王敬、張子振、趙子錚、邵玉傑、王小飛、張健、黃興旺、白鋅和趙方亮。書中引用瞭一些網上文獻，無法一一注明齣處，在此嚮原作者錶示感謝！

由於編著者水平有限，書中難免存在錯誤與不妥之處，歡迎讀者朋友不吝賜教！

編著者