一本书看懂多旋翼无人机

图书标准信息

• 作者 李德强 著
• 出版社 化学工业出版社
• 出版时间 2020-08
• 版次 1
• ISBN 9787122361172
• 定价 138.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 478页
• 字数 770千字

【内容简介】

本书以四旋翼无人机为例，讲解多旋翼无人机的飞行理论与控制体系，从螺旋桨、电动机、电调、动力电池、机架等角度介绍硬件结构与飞行原理。通过开源自驾仪Pixhawk和开源飞行控制程序PX4介绍了全自动多旋翼无人机控制系统的整个实现过程。内容涵盖了从硬件组装清单到飞控程序下载编译的整个过程，并对如何使用地面站程序对飞控进行航前校准和参数设定做了说明。 

本书将飞行理论与设计实现相互结合，通过对PX4飞控程序的分析、讲解、修改和完善，梳理了多旋翼无人机的相关知识。包括：飞控程序的架构设计、开源操作系统、驱动程序、状态估计、控制算法、自主导航系统等，以及如何通过对多旋翼无人机的动力系统建模实现半物理仿真和趣味航线飞行等。 

本书可为从事无人机设计制作的技术人员提供帮助，可供无人机爱好者自学，还可供大学院校相关专业师生学习参考。

【作者简介】

    李德强，男，1983年出生，山东淄博人，于武汉轻工大学。
    沈阳芯魂科技有限公司联合创始人之一、技术合伙人。
    2013年自主研发了lidqo作系统和dolphino作系统，可分别应用于个人电脑和嵌入式单片机。
    2016年研发了一套四旋翼无人机，自行设计所有控制系统和飞行算法，实现了无人机的自主飞行。
    2017年创办了“问渠网”“编程外星人”公众号及其附属俱乐部。俱乐部现有近千位成员，均为无人机相关编程技术爱好者。

【目录】

第1章多旋翼无人机简介 

1.1 多旋翼机发展简史 2 

1.1.1 多旋翼机的起源 2 

1.1.2 逐渐复苏 4 

1.1.3 多旋翼机的春天 5 

1.2 无人机与航空模型 6 

1.2.1 机型分类 6 

1.2.2 航空模型飞机 10 

1.2.3 全自动无人机 10 

1.3 开源飞控简介 11 

1.3.1 Arduino飞控 12 

1.3.2 Crazyflie迷你飞行器 12 

1.3.3 APM飞控 12 

1.3.4 Pixhawk与PX4 13 

第2章飞行原理 

2.1 基本姿态 15 

2.1.1 动力来源 15 

2.1.2 垂向运动 17 

2.1.3 飞行姿态 18 

2.2 飞行原理 22 

2.2.1 滚转角与定高飞行 22 

2.2.2 滚转角与水平运动 23 

2.3 十字形与叉形四旋翼 26 

2.3.1 运动方向与姿态 26 

2.3.2 混合控制方法 27 

第3章硬件结构设计 

3.1 螺旋桨 30 

3.1.1 制作材料 30 

3.1.2 直径、螺距与弦长 30 

3.1.3 多叶螺旋桨 31 

3.1.4 静平衡与动平衡 32 

3.2 有刷电机与无刷电机 32 

3.2.1 电磁铁转动原理 32 

3.2.2 有刷电机 34 

3.2.3 无刷电机 35 

3.2.4 相关参数 37 

3.3 电调与PWM信号 37 

3.3.1 电调 37 

3.3.2 PWM信号 38 

3.3.3 直流有刷电调 39 

3.3.4 直流无刷电调 39 

3.3.5 电调安全保护机制 40 

3.3.6 最大和最小行程校准 41 

3.4 动力电池 41 

3.4.1 电池电压 41 

3.4.2 电池容量与放电倍率 43 

3.5 遥控器 44 

3.5.1 遥控器与接收机 44 

3.5.2 美国手与日本手 45 

3.6 机架设计 46 

3.6.1 选材 46 

3.6.2 布局 47 

3.6.3 轴距 48 

3.6.4 涵道 49 

3.6.5 脚架 49 

第4章自驾仪与硬件组装 

4.1 Pixhawk自驾仪 51 

4.1.1 概览 51 

4.1.2 接口说明 53 

4.2 硬件清单与组装说明 57 

4.2.1 硬件清单 57 

4.2.2 组装说明 58 

第5章开源飞控程序 

5.1 飞控程序下载与编译 64 

5.1.1 PX4飞控程序下载 64 

5.1.2 Fedroa编译环境搭建 68 

5.1.3 Ubuntu编译环境搭建 71 

5.1.4 PX4飞控程序编译与烧写 73 

5.1.5 QGroundControl下载与编译 75 

5.2 航前准备与航前校准 77 

5.2.1 航前准备 78 

5.2.2 航前校准 84 

5.3 飞行模式 86 

5.3.1 Stabilized增稳模式 87 

5.3.2 Manual手动模式 87 

5.3.3 Altitude高度模式 87 

5.3.4 Position位置模式 88 

5.3.5 Mission任务模式 89 

5.3.6 Hold定点模式 89 

5.3.7 Takeoff/Land起飞降落模式 90 

5.3.8 Return返航模式 90 

5.3.9 Acro/Rattitude特技姿态模式 91 

5.3.10 Offboard离线模式 92 

5.3.11 Follow Me跟随模式 92 

第6章飞控架构与通信协议 

6.1 架构总览 94 

6.1.1 数据存储 94 

6.1.2 内部通信总线 95 

6.1.3 外部通信总线 95 

6.1.4 驱动程序 96 

6.1.5 飞行控制器 97 

6.2 源代码结构设计 98 

6.2.1 编译目标目录（build） 99 

6.2.2 编译配置目录（cmake） 101 

6.2.3 外部通信接口（Mavlink） 109 

6.2.4 内部通信接口（msg） 116 

6.2.5 运行平台（platforms） 120 

6.2.6 ROM文件系统（ROMFS） 124 

6.2.7 功能源代码（src） 127 

6.2.8 其他工具（Tools） 130 

6.3 uORB 130 

6.3.1 基本通信原理 130 

6.3.2 uORB设计与实现 132 

6.3.3 uORB使用方法 145 

6.4 Mavlink 147 

6.4.1 整体功能设计 147 

6.4.2 Mavlink主程序 148 

6.4.3 MavlinkStream发送器 154 

6.4.4 MavlinkReceiver接收器 159 

第7章开源操作系统NuttX 

7.1 NuttX概述 175 

7.1.1 NuttX简介 175 

7.1.2 系统特性 175 

7.1.3 支持的平台 178 

7.2 用户接口 183 

7.2.1 任务控制接口 183 

7.2.2 任务调度接口 188 

7.2.3 调度控制接口 190 

7.2.4 消息队列接口 192 

7.2.5 信号量接口 193 

7.2.6 环境变量 196 

7.2.7 文件系统接口 197 

7.2.8 网络接口 197 

7.3 NuttShell（NSH） 199 

7.3.1 概览 199 

7.3.2 常用命令 201 

第8章进程、线程及工作队列 

8.1 任务调度 211 

8.1.1 并行任务 211 

8.1.2 多级反馈队列 212 

8.1.3 抢占式优先级调度 213 

8.2 多进程 214 

8.2.1 什么是进程 214 

8.2.2 创建进程 216 

8.3 多线程 224 

8.3.1 什么是线程 224 

8.3.2 创建线程 225 

8.3.3 线程与进程的区别 230 

8.4 工作队列 232 

8.4.1 什么是工作队列 232 

8.4.2 加入工作队列 235 

8.5 信号量与锁 237 

8.5.1 互斥信号量 238 

8.5.2 同步信号量 244 

8.5.3 互斥锁与条件变量 245 

第9章驱动程序 

9.1 系统级驱动程序 251 

9.1.1 通用接口函数 251 

9.1.2 注册驱动程序 255 

9.1.3 编写驱动程序 258 

9.1.4 LED灯驱动程序 266 

9.2 SPI驱动程序 268 

9.2.1 SPI总线协议 268 

9.2.2 SPI管脚配置 269 

9.2.3 SPI驱动类 275 

9.2.4 SPI气压计驱动程序 279 

9.3 I2C驱动程序 287 

9.3.1 I2C总线协议 287 

9.3.2 I2C驱动类 288 

9.4 应用级驱动程序 289 

9.4.1 准备工作 289 

9.4.2 实现驱动程序 292 

第10章遥控器协议 

10.1 PWM 297 

10.1.1 PWM信号使用 297 

10.1.2 PWM信号采集 298 

10.2 PPM 302 

10.2.1 PPM信号使用 302 

10.2.2 PPM信号采集 303 

10.3 S.BUS 310 

10.3.1 S.BUS接口配置 310 

10.3.2 S.BUS协议格式 312 

10.3.3 S.BUS协议解析 313 

第11章飞控状态与命令执行 

11.1 主状态与切换 319 

11.1.1 主状态定义与切换条件 319 

11.1.2 主状态切换命令与响应 325 

11.2 导航状态与控制模式 337 

11.2.1 导航状态定义与切换条件 337 

11.2.2 控制模式及其开关条件 343 

11.3 飞控锁定与解锁 347 

11.3.1 飞控锁定保护 347 

11.3.2 锁定与解锁状态 347 

11.4 其他功能 350 

11.4.1 起飞点设置 350 

11.4.2 航灯设置 354 

11.4.3 安全开关 356 

第12章状态估计 

12.1 传感器校准 360 

12.1.1 加速度计 360 

12.1.2 陀螺仪 366 

12.1.3 磁罗盘 369 

12.1.4 水平仪 372 

12.2 卡尔曼滤波 375 

12.2.1 卡尔曼滤波原理 375 

12.2.2 公式推导 377 

12.3 姿态解算与速度位置估计 380 

12.3.1 坐标系变换 380 

12.3.2 姿态解算 383 

12.3.3 速度位置估计 385 

第13章飞行控制方法 

13.1 反馈、PID、串级控制 389 

13.1.1 反馈控制 389 

13.1.2 PID控制 391 

13.1.3 串级控制 392 

13.2 姿态控制 394 

13.2.1 姿态控制原理 394 

13.2.2 姿态控制过程 395 

13.3 位置控制 400 

13.3.1 位置控制原理 400 

13.3.2 位置控制过程 403 

13.4 混合控制器 408 

13.4.1 多旋翼混控原理 408 

13.4.2 混控配置文件 413 

13.4.3 PWM输出 417 

第14章航线规划全自动飞行 

14.1 导航基本原理 425 

14.1.1 导航目标 425 

14.1.2 搜索算法 426 

14.1.3 预设航线 427 

14.2 导航模块设计 428 

14.2.1 导航引擎 428 

14.2.2 自动任务设计 433 

14.2.3 自动起飞与降落 438 

14.2.4 自动航迹点任务 438 

14.2.5 自动返航 440 

14.2.6 目标跟随与其他导航模式 443 

第15章动力学建模及半物理仿真 

15.1 动力学建模 445 

15.1.1 动力模型 445 

15.1.2 受力运动 446 

15.2 半物理仿真 448 

15.2.1 使用jMavSim仿真程序 448 

15.2.2 自行编写仿真程序 450 

第16章外部控制与趣味航线 

16.1 外部控制系统 458 

16.1.1 方案设计 458 

16.1.2 功能实现 460 

16.2 趣味航线规划 470 

16.2.1 等边三角形 470 

16.2.2 圆形 473 

16.2.3 三叶草 474 

16.2.4 阿基米德螺旋线 476 

参考文献 478