多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南(嵌入式与工业控制技术高等学校电子信息类专业系列教材)
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作者编者:林庆峰//谌利//奚海蛟
出版社清华大学
ISBN9787302472568
出版时间2017-09
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定价69元
货号3923248
上书时间2024-07-07
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作者简介
谌利，北京航空航天大学电子信息工程学院硕士毕业，现任职于武汉飞航科技有限公司副总经理，负责领导公司研发团队。主要研究方向为嵌入式微处理器，通信与信息系统。出版《深入浅出Coldfire系列32位嵌入式微处理器》、《ARM认证工程师应试指南》等专著与教材多部。
目录
第1章 多旋翼无人机基础知识
1.1 无人机的介绍
1.2 无人机的分类与管理
1.3 无人机与航空模型的区别
1.4 多旋翼无人机的发展历史
1.5 多旋翼无人机的组成
1.5.1 机架系统
1.5.2 动力系统
1.5.3 动力电源与充电系统
1.5.4 电子调速器
1.5.5 飞行控制系统
1.5.6 遥控器和遥控接收机
1.5.7 遥测链路数传系统
1.5.8 光流定位系统
1.5.9 全球卫星导航系统
1.5.10 高度计
1.5.11 导航系统
1.5.12 无线图传系统
1.5.13 地面站控制系统
1.5.14 任务载荷云台和摄像头
1.5.15 避障系统
1.5.16 虚拟现实和增强现实系统
1.6 多旋翼飞行器的结构和飞行原理
1.6.1 多旋翼飞行器的机身布局
1.6.2 多旋翼飞行器的旋翼结构
1.6.3 多旋翼飞行器的飞行原理
1.6.4 多旋翼的优缺点
1.7 开源飞控简介
第2章 飞行控制系统核心硬件
2.1 ARMCortex-M4架构
2.1.1 ARM内核
2.1.2 Cortex-M4内核
2.1.3 以ARMCortex-M4为核心的微控制器
2.2 STM32F4系列微控制器
2.3 飞行控制系统硬件架构设计与原理
2.3.1 遥控接收机接口
2.3.2 电调输出接口
2.3.3 传感器接口
2.3.4 GNSS接口
2.3.5 SWD调试口
2.3.6 超声波接口
2.3.7 系统供电
2.3.8 遥测数传
2.3.9 其他功能和扩展接口
2.4 “光标”飞控PCB的布局设计
2.5 飞控系统硬件设计注意事项
第3章 嵌入式实时操作系统和FreeRTOS
3.1 实时操作系统简介
3.1.1 实时操作系统的定义
3.1.2 实时操作系统的特征
3.2 实时操作系统在飞控系统中的重要性
3.3 FreeRTOS实时操作系统
3.3.1 FreeRTOS简介
3.3.2 FreeRTOS的特点
3.3.3 FreeRTOS架构概述
3.4 调度策略
3.4.1 FreeRTOS支持的调度方式
3.4.2 调度器简介
3.4.3 抢占式调度器
3.4.4 时间片调度器
3.5 任务及任务优先级
3.5.1 任务和协程(Co-routines)
3.5.2 任务状态
3.5.3 任务优先级
3.5.4 任务优先级分配方案
3.6 任务间通信——信号量
3.6.1 信号量的概念及其作用
3.6.2 FreeRTOS任务间计数信号量的实现
3.6.3 FreeRTOS中断方式计数信号量的实现
3.6.4 计数信号量API函数
3.7 任务间通信—消息队列
3.7.1 消息队列的概念及其作用
3.7.2 FreeRTOS任务间消息队列的实现
3.7.3 FreeRTOS中断方式消息队列的实现
3.7.4 消息队列API函数
3.8 任务间通信——互斥信号量
3.8.1 互斥信号量的概念及其作用
3.8.2 优先级翻转问题
3.8.3 FreeRTOS互斥信号量的实现
3.8.4 互斥信号量API函数
3.9 飞控系统的任务规划与5环控制
第4章 飞行控制系统的定时器
4.1 STM32F407的系统时钟配置
4.1.1 STM32F4的系统时钟树
4.1.2 STM32F4的系统时钟初始化
4.1.3 STM32F4的系统时钟使能和配置
4.2 ST微控制器的定时器模块
4.2.1 高级控制定时器(Advanced-controlTimers)
4.2.2 通用定时器(General-purposeTimers)
4.2.3 基本定时器(BasicTimers)
4.3 任务调度定时器
4.4 遥控器PWM编码和定时器输入捕获
4.5 电子调试器的输出控制PWM和定时器输出比较模式
第5章 飞控系统的传感器
5.1 飞控系统的传感器
5.2 ST微控制器的I2C驱动
5.2.1 I2C简介
5.2.2 I2C驱动在STM32中的硬件实现
5.2.3 I2C驱动在STM32中的软件实现
5.3 加速度计的原理和测量信息
5.3.1 加速度计的原理
5.3.2 加速度计的测量信息
5.4 加速度计原始数据采集、校准和滤波
5.4.1 加速度计原始数据采集
5.4.2 加速度计校准
5.5 陀螺仪的原理和测量信息
5.5.1 陀螺仪的原理
5.5.2 陀螺仪的测量信息
5.6 陀螺仪的原始数据采集、校准和滤波
5.6.1 陀螺仪原始数据采集
5.6.2 陀螺仪校准
5.6.3 加速度计与陀螺仪的滤波
5.7 磁力计的工作原理和测量信息
5.7.1 磁力计的原理
5.7.2 磁力计的测量信息
5.8 磁力计的原始数据采集、校准和滤波
5.8.1 磁力计原始数据采集
5.8.2 磁力计校准
5.8.3 磁力计的滤波
5.9 超声波传感器简介
5.9.1 超声波传感器原理
5.9.2 超声波传感器简介
5.10 超声波传感器的数据采集驱动和滤波
5.10.1 超声波传感器数据采集驱动
5.10.2 超声波传感器的滤波
5.11 气压传感器简介
5.12 气压传感器的数据采集驱动
5.13 激光测距测高传感器
5.14 视觉传感器
5.14.1 光流
5.14.2 视觉里程计
第6章 状态估计
6.1 组合导航
6.2 飞行器的坐标系
6.3 方向余弦矩阵和欧拉角
6.3.1 方向余弦矩阵
6.3.2 姿态与欧拉角
6.3.3 欧拉角的定轴转动表示矩阵
6.4 四元数
6.4.1 四元数的定义
6.4.2 四元数与旋转的关系
6.5 四元数的姿态估计
6.6 卡尔曼滤波
6.7 扩展卡尔曼滤波
6.8 几种算法的总结比较
第7章 线性控制系统PID控制算法
7.1 控制理论与PID线性控制系统原理
7.1.1 比例控制
7.1.2 积分控制
7.1.3 微分控制
7.2 飞控算法PID框架设计
7.3 飞控算法外环PID实现
7.4 飞控算法内环PID实现
7.5 信号滤波
7.5.1 移动平滑滤波
7.5.2 FIR滤波
7.5.3 IIR滤波
7.6 PID参数的调试
7.6.1 飞控的PID参数
7.6.2 调试步骤
第8章 油门和高度控制
8.1 油门输入曲线
8.2 油门解锁功能
8.3 油门权重分配和电调输出
8.4 高度控制
第9章 自主导航系统
9.1 自主导航概述
9.2 室内定位
9.2.1 室内定位技术
9.2.2 视觉导航
9.2.3 SLAM简介
9.2.4 视觉SLAM闭环检测与后端优化
9.3 室外GPS定位和NEMA实现
9.3.1 GPS定位系统的基本工作原理
9.3.2 单点定位
9.3.3 相对定位
9.3.4 差分定位
9.3.5 GPS标准协议NEMA
9.4 航路规划
9.4.1 航线规划
9.4.2 轨迹规划
9.5 SINS/GPS组合导航的模型和算法
9.5.1 SINS和GPS接收机的误差模型
9.5.2 SINS/GPS松组合的状态方程和量测方程
9.5.3 SINS/GPS紧组合的状态方程和量测方程
9.5.4 方程离散化和卡尔曼滤波
9.6 避障系统
9.6.1 避障使用的传感器
9.6.2 避障算法
9.6.3 避障过程中存在的问题
第10章 遥测数传通信链路
10.1 通用数传模块分类及其性能
10.1.1 无人机数传模块简介
10.1.2 调制方式的划分
10.1.3 传输距离及其影响因素
10.2 ST微控制器的串口通信和数传模块硬件接口
10.2.1 ST微控制器的串口通信
10.2.2 数传模块的硬件接口
10.3 简单通信信源编码协议及其实现
10.3.1 信源编码
10.3.2 串口通信协议
10.4 MAVLink协议实现
10.4.1 MAVLink协议简介
10.4.2 MAVLink数据包结构
10.4.3 MAVLink消息帧讲解
10.4.4 MAVLink消息帧发送与解析
10.5 地面站数据接收与数据解析
10.5.1 PC端地面站数据采集与存储
10.5.2 Android地面站数据接收
10.5.3 Android地面站数据存储与分析
第11章 其他辅助功能
11.1 参数存储、在线更新与加载
11.2 调试LED
11.3 失控保护功能
11.4 手机WiFi控制
11.5 手机蓝牙控制
11.6 第一人称视角FPV控制
11.6.1 FPV的定义
11.6.2 FPV的设备组成
11.6.3 FPV眼镜与VR眼镜的区别
11.7 无人机应用领域
11.7.1 拍照摄影
11.7.2 植保无人机
11.7.3 电力巡检
11.7.4 环保领域的应用
第12章 基于STM32F4的基础程序开发
12.1 处理器STM32F4简介
12.1.1 系统总线
12.1.2 系统接口
12.2 开发环境简介
12.2.1 软件安装
12.2.2 工程创建
12.2.3 软件介绍
12.2.4 程序调试
12.3 STM32固件库
12.3.1 固件库介绍
12.3.2 固件库移植
12.4 LED显示
12.4.1 硬件设计
12.4.2 软件设计
12.4.3 实验现象
12.5 USART串口的使用
12.5.1 硬件设计
12.5.2 软件设计
12.5.3 实验现象
12.6 ADC模数转换器
12.6.1 软件设计
12.6.2 实验现象
12.7 定时器中断
12.7.1 定时器中断的原理
12.7.2 软件设计
12.7.3 实验现象
12.8 FreeRTOS实时操作系统简介
12.8.1 FreeRTOS基础应用
12.8.2 FreeRTOS实例
12.8.3 实验现象
12.9 FreeRTOS操作EEPROM
12.9.1 程序设计
12.9.2 实验现象
12.10 FreeRTOS操作MPU6050
12.10.1 软件设计
12.10.2 实验现象
12.11 FreeRTOS操作磁力计
12.11.1 软件设计
12.11.2 实验现象
12.12 FreeRTOS操作气压计
12.12.1 软件设计
12.12.2 实验现象
附录A F450四旋翼飞行器DIY组装流程
A.1 材料清单
A.2 焊接电机
A.3 机架的安装
A.4 飞控模块安装
A.5 电调行程校准
A.6 电调、遥控接收机、数传模块与飞控的连接
A.7 遥控操作说明
A.8 图传系统连接
附录B 无刷电机与电子调速器介绍
B.1 无刷直流电机
B.2 电子调速器换相的相关知识
B.3 电调启动频率
附录C 无人机实验室研发调试设备
C.1 FH550四旋翼无人机研发系统
C.2 应用级无人机系统
C.3 高级航拍数字图传系统
C.4 便携式地面测控站系统
C.5 高级飞行器3自由度姿态算法验证系统
C.6 高级飞行器动力系统扭矩测量系统
C.7 高级飞行器动力系统拉力测量系统
C.8 微机电传感器测量校准平台
C.9 工业级数据处理中心
附录D 电子罗盘椭球校准算法代码实例
参考文献
内容摘要
随着集成电路、微控制器以及微机电技术的发展，多旋翼无人飞行器的控制技术得到了蓬勃的发展。
随着大疆、派诺特、3DR等国内外一系列无人机公司推出针对普通大众的消费级无人机产品，无人机作为一个普通消费应用也得到了大众的认可和接受，越来越多的工程技术人员将多旋翼无人飞行器作为一个经典的控制系统来进行学习和研究。林庆峰、谌利、奚海蛟编著的《多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南(嵌入式与工业控制技术高等学校电子信息类专业系列教材)》主要围绕多旋翼无人机的飞控系统设计，从嵌入式的基础知识开始，深入浅出地介绍了无人机的基本知识和硬件构成，重点介绍了无人机的飞控系统原理、基础和开发流程，针对飞行器系统的状态解算介绍了几种不同的解算方法，并给出相应的实际代码例程。本书从各方面对无人机系统的设计进行阐述，并提供了前沿的知识和信息，既有初学者希望了解的基础知识，也有行业研究者所希望深入了解的算法分析，以及室内定位SLAM原理等。
除了正文部分，本书还提供了丰富的附录，包括四旋翼无人机的组装、无刷电机与电调的相关知识、
无人机实验室的相关研发调试设备，以及业界流行的开源飞控的相关知识，甚至包括无人机的相关应用，让读者能够更全面地熟悉和了解整个无人机行业的生
态系统。
本书特别适合作为高等院校自动化、计算机、电子工程等相关专业“多旋翼无人飞行器设计”课程的教材，也可供从事嵌入式系统开发与应用的工程技术人员参考。
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