多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南

入选教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材！北京威航世纪教育科技有限公司推荐用书！提供教学课件（PPT）！课件下载处为本书源程式，更新时间2017-11-14 。

作者：林庆峰、谌利、奚海蛟
定价：69元
印次：1-1
ISBN：9787302472568
出版日期：2017.09.01
印刷日期：2017.08.03

随着积体电路、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套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。

本书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体构成，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，并提供了最前沿的知识和信息，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。

莱特兄弟发明飞机的17年后（即1920年），多旋翼无人飞行器诞生，此后便经历了漫长的沉默期和酝酿期。随着现代控制理论和技术的发展，以及积体电路、嵌入式微处理器和微机电技术的成功套用，在多旋翼飞行器软硬体和算法两方面均发展成熟的情况下，众多和无人机产业相关的公司如雨后春笋般涌现，同时风险投资等各类资本也都纷纷涌入无人机产业。随着多旋翼无人飞行器在民用及消费类市场的普及和套用，整个行业对无人机相关专业领域的人才需求也呈爆发式增长。无人机系统作为一个先进複杂的现代控制系统，涵盖了材料、通信、电子、控制、数位讯号处理和感测器技术等各方面的专业技术套用，因此也需要各个专业领域的技术人才，很多高校也同时开设了相关专业。

现在，国内外与多旋翼无人飞行器相关的研究论文尤其是针对飞控系统的论文非常丰富，但是国内针对飞控系统的教材和书籍以介绍理论知识居多，偏向套用的资料不够丰富，而套用级别的教材书籍正是广大无人飞行器爱好者和基础研究人员迫切需要的资料。正是在这个背景下，北京航空航天大学的林庆峰老师与武汉飞航科技有限公司共同合作推出了这本开发指南，希望能够结合国内外的研究成果和各自的研究技术及产品，为业界提供一个基础学习和入门的资料。

本书为读者提供了可以从零基础开始学习的多旋翼无人飞行器的基础知识，包括无人机所涉及的机架、动力系统、飞控系统、遥控遥测系统、感测器、卫星导航定位系统、光流定位系统、无线图传系统和地面测控站等方面的基础知识，这些内容主要在第1章介绍，是针对航模爱好者与初学者的入门参考资料。需要了解飞控系统硬体设计的读者可以重点阅读第2章，该章深入浅出地介绍无人机飞控系统的硬体设计，处理器的选型和套用。在此基础上，读者可以进一步学习无人机飞控系统软体开发的详细流程与方法，包括嵌入式实时作业系统的相关知识、飞控系统的各种感测器的数据採集和处理、自动控制的核心（即控制系统的状态估计在无人机系统中的套用和开发），以及PID线性控制规律的设计核心方案，这些内容主要在第6章、第7章和第8章中介绍，这一部分也是本书的重点内容。此外，通过本书，读者还能够了解到无人机的自主导航的相关知识，包括室内导航和室外导航的一些核心知识，以及避障系统的相关介绍。本书还介绍了针对无人机地面测控站设计的核心技术、遥测数据链路的通信原理设计、飞控参数存储载入与更新以及其他一些辅助功能的相关介绍。此外，本书还对无人机飞控系统的套用调试与检测设备进行了详细的介绍，因此对于希望学习了解无人机飞控软体算法并且需要进行深入研究的读者和爱好者，本书都是一种非常有价值的参考书籍。

本书主要由北京航空航天大学林庆峰老师及武汉飞航科技有限公司研发人员编写而成，所有作者均有多年从事无人机设计研发及套用方面的经验。除三位主要作者的工作之外，本书还凝聚了武汉飞航科技有限公司技术团队的众多工程师的辛勤劳动，他们是徐凡、郑森林、徐仕斌、吴志雄、雷航、王飞、魏德明、毕野、杨金星、奚天麒、张玮和张伟，在此对他们一一表示感谢。此外，本书还得到了郑州航空工业管理学院电子通信工程学院的陈宇老师的支持和指导。本书所介绍和阐述的飞控系统和其他各部分无人机设备及检测设备均由武汉飞航科技有限公司提供，所介绍的实验案例均可在该公司的游标系列飞控设备上运行。

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体

2.1ARMCortexM4架构

2.1.1ARM核心

2.1.2CortexM4核心

2.1.3以ARMCortexM4为核心的微控制器

2.2STM32F4系列微控制器

2.3飞行控制系统硬体架构设计与原理

2.3.1遥控接收机接口

2.3.2电调输出接口

2.3.3感测器接口

2.3.4GNSS接口

2.3.5SWD调试口

2.3.6超音波接口

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“游标”飞控PCB的布局设计

2.5飞控系统硬体设计注意事项

第3章嵌入式实时作业系统和FreeRTOS

3.1实时作业系统简介

3.1.1实时作业系统的定义

3.1.2实时作业系统的特徵

3.2实时作业系统在飞控系统中的重要性

3.3FreeRTOS实时作业系统

3.3.1FreeRTOS简介

3.3.2FreeRTOS的特点

3.3.3FreeRTOS架构概述

3.4调度策略

3.4.1FreeRTOS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任务及任务优先权

3.5.1任务和协程(Coroutines)

3.5.2任务状态

3.5.3任务优先权

3.5.4任务优先权分配方案

3.6任务间通信——信号量

3.6.1信号量的概念及其作用

3.6.2FreeRTOS任务间计数信号量的实现

3.6.3FreeRTOS中断方式计数信号量的实现

3.6.4计数信号量API函式

3.7任务间通信—讯息伫列

3.7.1讯息伫列的概念及其作用

3.7.2FreeRTOS任务间讯息伫列的实现

3.7.3FreeRTOS中断方式讯息伫列的实现

3.7.4讯息伫列API函式

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优先权翻转问题

3.8.3FreeRTOS互斥信号量的实现

3.8.4互斥信号量API函式

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

4.1STM32F407的系统时钟配置

4.1.1STM32F4的系统时钟树

4.1.2STM32F4的系统时钟初始化

4.1.3STM32F4的系统时钟使能和配置

4.2ST微控制器的定时器模组

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章飞控系统的感测器

5.1飞控系统的感测器

5.2ST微控制器的I2C驱动

5.2.1I2C简介

5.2.2I2C驱动在STM32中的硬体实现

5.2.3I2C驱动在STM32中的软体实现

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加速度计原始数据採集、校準和滤波

5.4.1加速度计原始数据採集

5.4.2加速度计校準

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陀螺仪的原始数据採集、校準和滤波

5.6.1陀螺仪原始数据採集

5.6.2陀螺仪校準

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磁力计的原始数据採集、校準和滤波

5.8.1磁力计原始数据採集

5.8.2磁力计校準

5.8.3磁力计的滤波

5.9超音波感测器简介

5.9.1超音波感测器原理

5.9.2超音波感测器简介

5.10超音波感测器的数据採集驱动和滤波

5.10.1超音波感测器数据採集驱动

5.10.2超音波感测器的滤波

5.11气压感测器简介

5.12气压感测器的数据採集驱动

5.13雷射测距测高感测器

5.14视觉感测器

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係

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

7.5.2FIR滤波

7.5.3IIR滤波

7.6PID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

9.2.3SLAM简介

9.2.4视觉SLAM闭环检测与后端最佳化

9.3室外GPS定位和NEMA实现

9.3.1GPS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

9.3.5GPS标準协定NEMA

9.4航路规划

9.4.1航线规划

9.4.2轨迹规划

9.5SINS/GPS组合导航的模型和算法

9.5.1SINS和GPS接收机的误差模型

9.5.2SINS/GPS松组合的状态方程和量测方程

9.5.3SINS/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避障使用的感测器

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通用数传模组分类及其性能

10.1.1无人机数传模组简介

10.1.2调製方式的划分

10.1.3传输距离及其影响因素

10.2ST微控制器的串口通信和数传模组硬体接口

10.2.1ST微控制器的串口通信

10.2.2数传模组的硬体接口

10.3简单通信信源编码协定及其实现

10.3.1信源编码

10.3.2串口通信协定

10.4MAVLink协定实现

10.4.1MAVLink协定简介

10.4.2MAVLink数据包结构

10.4.3MAVLink讯息帧讲解

10.4.4MAVLink讯息帧传送与解析

10.5地面站数据接收与数据解析

10.5.1PC端地面站数据採集与存储

10.5.2Android地面站数据接收

10.5.3Android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、线上更新与载入

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

11.6.1FPV的定义

11.6.2FPV的设备组成

11.6.3FPV眼镜与VR眼镜的区别

11.7无人机套用领域

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环保领域的套用

第12章基于STM32F4的基础程式开发

12.1处理器STM32F4简介

12.1.1系统汇流排

12.1.2系统接口

12.2开发环境简介

12.2.1软体安装

12.2.2工程创建

12.2.3软体介绍

12.2.4程式调试

12.3STM32固件库

12.3.1固件库介绍

12.3.2固件库移植

12.4LED显示

12.4.1硬体设计

12.4.2软体设计

12.4.3实验现象

12.5USART串口的使用

12.5.1硬体设计

12.5.2软体设计

12.5.3实验现象

12.6ADC模数转换器

12.6.1软体设计

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软体设计

12.7.3实验现象

12.8FreeRTOS实时作业系统简介

12.8.1FreeRTOS基础套用

12.8.2FreeRTOS实例

12.8.3实验现象

12.9FreeRTOS操作EEPROM

12.9.1程式设计

12.9.2实验现象

12.10FreeRTOS操作MPU6050

12.10.1软体设计

12.10.2实验现象

12.11FreeRTOS操作磁力计

12.11.1软体设计

12.11.2实验现象

12.12FreeRTOS操作气压计

12.12.1软体设计

12.12.2实验现象

附录AF450四旋翼飞行器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飞控模组安装

A.5电调行程校準

A.6电调、遥控接收机、数传模组与飞控的连线

A.7遥控操作说明

A.8图传系统连线

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.1FH550四旋翼无人机研发系统

C.2套用级无人机系统

C.3高级航拍数字图传系统

C.4携带型地面测控站系统

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微机电感测器测量校準平台

C.9工业级数据处理中心

附录D电子罗盘椭球校準算法代码实例

参考文献