開本：128開 紙張：膠版紙 包裝：平裝-膠訂 是否套裝：否 國際標準書號ISBN：9787302472568 叢書名：高等學校電子信息類專業繫列教材 作者：林慶峰、諶利、奚海蛟 出版社：清華大學出版社 出版時間：2017年09月
"編輯推薦 本書從嵌入式的基礎知識開始，深入淺出地介紹了多旋翼無人飛行器（無人機）的基本設計方法。書中全面論述了無人機的硬件構成、飛控繫統原理和開發流程，針對飛行器繫統的狀態解算給出了幾種不同的解算方法，並給出了相應的實際代碼。全書從各方面對無人機繫統的設計進行了闡述，提供了*前沿的信息，既包括初學者希望熟悉的基礎知識，也有研究者希望深入了解的算法分析，以及室內定位SLAM原理等，滿足不同層次的讀者的學習需求。教學課件（PPT）與相關案例代碼可以到清華大學出版社網站本書頁面下載。 內容簡介 隨著集成電路、微控制器以及微機電技術的發展，多旋翼無人飛行器的控制技術得到了蓬勃的發展。隨著大疆、派諾特、3DR等國內外一繫列無人機公司推出針對普通大眾的消費級無人機產品，無人機作為一個普通消費應用也得到了大眾的認可和接受，越來越多的工程技術人員將多旋翼無人飛行器作為一個經典的控制繫統來進行學習和研究。本書主要圍繞多旋翼無人機的飛控繫統設計，從嵌入式的基礎知識開始，深入淺出地介紹了無人機的基本知識和硬件構成，重點介紹了無人機的飛控繫統原理、基礎和開發流程，針對飛行器繫統的狀態解算介紹了幾種不同的解算方法，並給出相應的實際代碼例程。本書從各方面對無人機繫統的設計進行闡述，並提供了*前沿的知識和信息，既有初學者希望了解的基礎知識，也有行業研究者所希望深入了解的算法分析，以及室內定位SLAM原理等。
除了正文部分，本書還提供了豐富的附錄，包括四旋翼無人機的組裝、無刷電機與電調的相關知識、無人機實驗室的相關研發調試設備，以及業界流行的開源飛控的相關知識，甚至包括無人機的相關應用，讓讀者能夠更全面地熟悉和了解整個無人機行業的生態繫統。
本書特別適合作為高等院校自動化、計算機、電子工程等相關專業“多旋翼無人飛行器設計”課程的教材，也可供從事嵌入式繫統開發與應用的工程技術人員參考。 作者簡介 作者簡介林慶峰 吉林大學交通學院博士畢業，清華大學汽車工程繫博士後，密歇根大學訪問學者，現任教於北京航空航天大學交通科學與工程學院。主要研究方向為智能汽車、駕駛輔助繫統。出版、參編專著與教材多部。諶利 北京航空航天大學電子信息工程學院碩士畢業，現任職於武漢飛航科技有限公司副總經理，負責領導公司研發團隊。主要研究方向為嵌入式微處理器，通信與信息繫統。出版《深入淺出Coldfire繫列 32位嵌入式微處理器》、《ARM 認證工程師應試指南》等專著與教材多部。奚海蛟 北京航空航天大學電子信息工程學院博士畢業、博士後，武漢飛航科技有限公司創始人。主要研究方向為飛行器仿真、嵌入式與物聯網技術。曾獲首屆中國航空創業大賽一等獎、中國航空創新創業大會優秀獎等多項獎勵，出版物聯網、嵌入式技術等等專著與教材10餘部。 目錄
目錄
第1章多旋翼無人機基礎知識
1.1無人機的介紹
1.2無人機的分類與管理
1.3無人機與航空模型的區別
1.4多旋翼無人機的發展歷史
1.5多旋翼無人機的組成
1.5.1機架繫統
1.5.2動力繫統
1.5.3動力電源與充電繫統
1.5.4電子調速器
1.5.5飛行控制繫統
目錄
第1章多旋翼無人機基礎知識
1.1無人機的介紹
1.2無人機的分類與管理
1.3無人機與航空模型的區別
1.4多旋翼無人機的發展歷史
1.5多旋翼無人機的組成
1.5.1機架繫統
1.5.2動力繫統
1.5.3動力電源與充電繫統
1.5.4電子調速器
1.5.5飛行控制繫統
1.5.6遙控器和遙控接收機
1.5.7遙測鏈路數傳繫統
1.5.8光流定位繫統
1.5.9全球衛星導航繫統
1.5.10高度計
1.5.11導航繫統
1.5.12無線圖傳繫統
1.5.13地面站控制繫統
1.5.14任務載荷雲臺和攝像頭
1.5.15避障繫統
1.5.16虛擬現實和增強現實繫統
1.6多旋翼飛行器的結構和飛行原理
1.6.1多旋翼飛行器的機身布局
1.6.2多旋翼飛行器的旋翼結構
1.6.3多旋翼飛行器的飛行原理
1.6.4多旋翼的優缺點
1.7開源飛控簡介
第2章飛行控制繫統核心硬件
2.1ARM CortexM4架構
2.1.1ARM內核
2.1.2CortexM4內核
2.1.3以ARM CortexM4為核心的微控制器
2.2STM32F4繫列微控制器
2.3飛行控制繫統硬件架構設計與原理
2.3.1遙控接收機接口
2.3.2電調輸出接口
2.3.3傳感器接口
2.3.4GNSS接口
2.3.5SWD調試口
2.3.6超聲波接口
2.3.7繫統供電
2.3.8遙測數傳
2.3.9其他功能和擴展接口
2.4“光標”飛控PCB的布局設計
2.5飛控繫統硬件設計注意事項
第3章嵌入式實時操作繫統和FreeRTOS
3.1實時操作繫統簡介
3.1.1實時操作繫統的定義
3.1.2實時操作繫統的特征
3.2實時操作繫統在飛控繫統中的重要性
3.3FreeRTOS實時操作繫統
3.3.1FreeRTOS簡介
3.3.2FreeRTOS的特點
3.3.3FreeRTOS架構概述
3.4調度策略
3.4.1FreeRTOS支持的調度方式
3.4.2調度器簡介
3.4.3搶占式調度器
3.4.4時間片調度器
3.5任務及任務優先級
3.5.1任務和協程(Coroutines)
3.5.2任務狀態
3.5.3任務優先級
3.5.4任務優先級分配方案
3.6任務間通信——信號量
3.6.1信號量的概念及其作用
3.6.2FreeRTOS任務間計數信號量的實現
3.6.3FreeRTOS中斷方式計數信號量的實現
3.6.4計數信號量API函數
3.7任務間通信—消息隊列
3.7.1消息隊列的概念及其作用
3.7.2FreeRTOS任務間消息隊列的實現
3.7.3FreeRTOS中斷方式消息隊列的實現
3.7.4消息隊列API函數
3.8任務間通信——互斥信號量
3.8.1互斥信號量的概念及其作用
3.8.2優先級翻轉問題
3.8.3FreeRTOS互斥信號量的實現
3.8.4互斥信號量API函數
3.9飛控繫統的任務規劃與5環控制
第4章飛行控制繫統的定時器
4.1STM32F407的繫統時鐘配置
4.1.1STM32F4的繫統時鐘樹
4.1.2STM32F4的繫統時鐘初始化
4.1.3STM32F4的繫統時鐘使能和配置
4.2ST微控制器的定時器模塊
4.2.1高級控制定時器(Advancedcontrol Timers)
4.2.2通用定時器(Generalpurpose Timers)
4.2.3基本定時器(Basic Timers)
4.3任務調度定時器
4.4遙控器PWM編碼和定時器輸入捕獲
4.5電子調試器的輸出控制PWM和定時器輸出比較模式
第5章飛控繫統的傳感器
5.1飛控繫統的傳感器
5.2ST微控制器的I2C驅動
5.2.1I2C簡介
5.2.2I2C驅動在STM32中的硬件實現
5.2.3I2C驅動在STM32中的軟件實現
5.3加速度計的原理和測量信息
5.3.1加速度計的原理
5.3.2加速度計的測量信息
5.4加速度計原始數據采集、校準和濾波
5.4.1加速度計原始數據采集
5.4.2加速度計校準
5.5陀螺儀的原理和測量信息
5.5.1陀螺儀的原理
5.5.2陀螺儀的測量信息
5.6陀螺儀的原始數據采集、校準和濾波
5.6.1陀螺儀原始數據采集
5.6.2陀螺儀校準
5.6.3加速度計與陀螺儀的濾波
5.7磁力計的工作原理和測量信息
5.7.1磁力計的原理
5.7.2磁力計的測量信息
5.8磁力計的原始數據采集、校準和濾波
5.8.1磁力計原始數據采集
5.8.2磁力計校準
5.8.3磁力計的濾波
5.9超聲波傳感器簡介
5.9.1超聲波傳感器原理
5.9.2超聲波傳感器簡介
5.10超聲波傳感器的數據采集驅動和濾波
5.10.1超聲波傳感器數據采集驅動
5.10.2超聲波傳感器的濾波
5.11氣壓傳感器簡介
5.12氣壓傳感器的數據采集驅動
5.13激光測距測高傳感器
5.14視覺傳感器
5.14.1光流
5.14.2視覺裡程計
第6章狀態估計
6.1組合導航
6.2飛行器的坐標繫
6.3方向餘弦矩陣和歐拉角
6.3.1方向餘弦矩陣
6.3.2姿態與歐拉角
6.3.3歐拉角的定軸轉動表示矩陣
6數
6.4數的定義
6.4數與旋轉的關繫
6數的姿態估計
6.6卡爾曼濾波
6.7擴展卡爾曼濾波
6.8幾種算法的總結比較
第7章線性控制繫統PID控制算法
7.1控制理論與PID線性控制繫統原理
7.1.1比例控制
7.1.2積分控制
7.1.3微分控制
7.2飛控算法PID框架設計
7.3飛控算法外環PID實現
7.4飛控算法內環PID實現
7.5信號濾波
7.5.1移動平滑濾波
7.5.2FIR濾波
7.5.3IIR濾波
7.6PID參數的調試
7.6.1飛控的PID參數
7.6.2調試步驟
第8章油門和高度控制
8.1油門輸入曲線
8.2油門解鎖功能
8.3油門權重分配和電調輸出
8.4高度控制
第9章自主導航繫統
9.1自主導航概述
9.2室內定位
9.2.1室內定位技術
9.2.2視覺導航
9.2.3SLAM簡介
9.2.4視覺SLAM閉環檢測與後端優化
9.3室外GPS定位和NEMA實現
9.3.1GPS定位繫統的基本工作原理
9.3.2單點定位
9.3.3相對定位
9.3.4差分定位
9.3.5GPS標準協議NEMA
9.4航路規劃
9.4.1航線規劃
9.4.2軌跡規劃
9.5SINS/GPS組合導航的模型和算法
9.5.1SINS和GPS接收機的誤差模型
9.5.2SINS/GPS松組合的狀態方程和量測方程
9.5.3SINS/GPS緊組合的狀態方程和量測方程
9.5.4方程離散化和卡爾曼濾波
9.6避障繫統
9.6.1避障使用的傳感器
9.6.2避障算法
9.6.3避障過程中存在的問題
第10章遙測數傳通信鏈路
10.1通用數傳模塊分類及其性能
10.1.1無人機數傳模塊簡介
10.1.2調制方式的劃分
10.1.3傳輸距離及其影響因素
10.2ST微控制器的串口通信和數傳模塊硬件接口
10.2.1ST微控制器的串口通信
10.2.2數傳模塊的硬件接口
10.3簡單通信信源編碼協議及其實現
10.3.1信源編碼
10.3.2串口通信協議
10.4MAVLink協議實現
10.4.1MAVLink協議簡介
10.4.2MAVLink數據包結構
10.4.3MAVLink消息幀講解
10.4.4MAVLink消息幀發送與解析
10.5地面站數據接收與數據解析
10.5.1PC端地面站數據采集與存儲
10.5.2Android地面站數據接收
10.5.3Android地面站數據存儲與分析
第11章其他輔助功能
11.1參數存儲、在線更新與加載
11.2調試LED
11.3失控保護功能
11.4手機WiFi控制
11.5手機藍牙控制
11.6人稱視角FPV控制
11.6.1FPV的定義
11.6.2FPV的設備組成
11.6.3FPV眼鏡與VR眼鏡的區別
11.7無人機應用領域
11.7.1拍照攝影
11.7.2植保無人機
11.7.3電力巡檢
11.7.4環保領域的應用
第12章基於STM32F4的基礎程序開發
12.1處理器STM32F4簡介
12.1.1繫統總線
12.1.2繫統接口
12.2開發環境簡介
12.2.1軟件安裝
12.2.2工程創建
12.2.3軟件介紹
12.2.4程序調試
12.3STM32固件庫
12.3.1固件庫介紹
12.3.2固件庫移植
12.4LED顯示
12.4.1硬件設計
12.4.2軟件設計
12.4.3實驗現像
12.5USART串口的使用
12.5.1硬件設計
12.5.2軟件設計
12.5.3實驗現像
12.6ADC模數轉換器
12.6.1軟件設計
12.6.2實驗現像
12.7定時器中斷
12.7.1定時器中斷的原理
12.7.2軟件設計
12.7.3實驗現像
12.8FreeRTOS實時操作繫統簡介
12.8.1FreeRTOS基礎應用
12.8.2FreeRTOS實例
12.8.3實驗現像
12.9FreeRTOS操作EEPROM
12.9.1程序設計
12.9.2實驗現像
12.10FreeRTOS操作MPU6050
12.10.1軟件設計
12.10.2實驗現像
12.11FreeRTOS操作磁力計
12.11.1軟件設計
12.11.2實驗現像
12.12FreeRTOS操作氣壓計
12.12.1軟件設計
12.12.2實驗現像
附錄AF450四旋翼飛行器DIY組裝流程
A.1材料清單
A.2焊接電機
A.3機架的安裝
A.4飛控模塊安裝
A.5電調行程校準
A.6電調、遙控接收機、數傳模塊與飛控的連接
A.7遙控操作說明
A.8圖傳繫統連接
附錄B無刷電機與電子調速器介紹
B.1無刷直流電機
B.2電子調速器換相的相關知識
B.3電調啟動頻率
附錄C無人機實驗室研發調試設備
C.1FH550四旋翼無人機研發繫統
C.2應用級無人機繫統
C.3高級航拍數字圖傳繫統
C.4便攜式地面測控站繫統
C.5高級飛行器3自由度姿態算法驗證繫統
C.6高級飛行器動力繫統扭矩測量繫統
C.7高級飛行器動力繫統拉力測量繫統
C.8微機電傳感器測量校準平臺
C.9工業級數據處理中心
附錄D電子羅盤橢球校準算法代碼實例
參考文獻
前言 前言萊特兄弟發明飛機的17年後（即1920年），多旋翼無人飛行器誕生，此後便經歷了漫長的沉默期和醞釀期。隨著現代控制理論和技術的發展，以及集成電路、嵌入式微處理器和微機電技術的成功應用，在多旋翼飛行器軟硬件和算法兩方面均發展成熟的情況下，眾多和無人機產業相關的公司如雨後春筍般湧現，同時風險投資等各類資本也都紛紛湧入無人機產業。隨著多旋翼無人飛行器在民用及消費類市場的普及和應用，整個行業對無人機相關專業領域的人纔需求也呈爆發式增長。無人機繫統作為一個先進復雜的現代控制繫統，涵蓋了材料、通信、電子、控制、數字信號處理和傳感器技術等各方面的專業技術應用，因此也需要各個專業領域的技術人纔，很多高校也同時開設了相關專業。現在，國內外與多旋翼無人飛行器相關的研究論文尤其是針對飛控繫統的論文非常豐富，但是國內針對飛控繫統的教材和書籍以介紹理論知識居多，偏向應用的資料不夠豐富，而應用級別的教材書籍正是廣大無人飛行器愛好者和基礎研究人員迫切需要的資料。正是在這個背景下，北京航空航天大學的林慶峰老師與武漢飛航科技有限公司共同合作推出了這本開發指南，希望能夠結合國內外的研究成果和各自的研究技術及產品，為業界提供一個基礎學習和入門的資料。本書為讀者提供了可以從零基礎開始學習的多旋翼無人飛行器的基礎知識，包括無人機所涉及的機架、動力繫統、飛控繫統、遙控遙測繫統、傳感器、衛星導航定位繫統、光流定位繫統、無線圖傳繫統和地面測控站等方面的基礎知識，這些內容主要在第1章介紹，是針對航模愛好者與初學者的入門參考資料。需要了解飛控繫統硬件設計的讀者可以重點閱讀第2章，該章深入淺出地介紹無人機飛控繫統的硬件設計，處理器的選型和應用。在此基礎上，讀者可以進一步學習無人機飛控繫統軟件開發的詳細流程與方法，包括嵌入式實時操作繫統的相關知識、飛控繫統的各種傳感器的數據采集和處理、自動控制的核心（即控制繫統的狀態估計在無人機繫統中的應用和開發），以及PID線性控制規律的設計核心方案，這些內容主要在第6章、第7章和第8章中介紹，這一部分也是本書的重點內容。此外，通過本書，讀者還能夠了解到無人機的自主導航的相關知識，包括室內導航和室外導航的一些核心知識，以及避障繫統的相關介紹。本書還介紹了針對無人機地面測控站設計的核心技術、遙測數據鏈路的通信原理設計、飛控參數存儲加載與更新以及其他一些輔助功能的相關介紹。此外，本書還對無人機飛控繫統的應用調試與檢測設備進行了詳細的介紹，因此對於希望學習了解無人機飛控軟件算法並且需要進行深入研究的讀者和愛好者，本書都是一種非常有價值的參考書籍。本書主要由北京航空航天大學林慶峰老師及武漢飛航科技有限公司研發人員編寫而成，所有作者均有多年從事無人機設計研發及應用方面的經驗。除三位主要作者的工作之外，本書還凝聚了武漢飛航科技有限公司技術團隊的眾多工程師的辛勤勞動，他們是徐凡、鄭森林、徐仕斌、吳志雄、雷航、王飛、魏德明、畢野、楊金星、奚天麒、張瑋和張偉，在此對他們一一表示感謝。此外，本書還得到了鄭州航空工業管理學院電子通信工程學院的陳宇老師的支持和指導。本書所介紹和闡述的飛控繫統和其他各部分無人機設備及檢測設備均由武漢飛航科技有限公司提供，所介紹的實驗案例均可在該公司的光標繫列飛控設備上運行。由於編者水平所限，並且時間倉促，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。編者2017年3月前言萊特兄弟發明飛機的17年後（即1920年），多旋翼無人飛行器誕生，此後便經歷了漫長的沉默期和醞釀期。隨著現代控制理論和技術的發展，以及集成電路、嵌入式微處理器和微機電技術的成功應用，在多旋翼飛行器軟硬件和算法兩方面均發展成熟的情況下，眾多和無人機產業相關的公司如雨後春筍般湧現，同時風險投資等各類資本也都紛紛湧入無人機產業。隨著多旋翼無人飛行器在民用及消費類市場的普及和應用，整個行業對無人機相關專業領域的人纔需求也呈爆發式增長。無人機繫統作為一個先進復雜的現代控制繫統，涵蓋了材料、通信、電子、控制、數字信號處理和傳感器技術等各方面的專業技術應用，因此也需要各個專業領域的技術人纔，很多高校也同時開設了相關專業。現在，國內外與多旋翼無人飛行器相關的研究論文尤其是針對飛控繫統的論文非常豐富，但是國內針對飛控繫統的教材和書籍以介紹理論知識居多，偏向應用的資料不夠豐富，而應用級別的教材書籍正是廣大無人飛行器愛好者和基礎研究人員迫切需要的資料。正是在這個背景下，北京航空航天大學的林慶峰老師與武漢飛航科技有限公司共同合作推出了這本開發指南，希望能夠結合國內外的研究成果和各自的研究技術及產品，為業界提供一個基礎學習和入門的資料。本書為讀者提供了可以從零基礎開始學習的多旋翼無人飛行器的基礎知識，包括無人機所涉及的機架、動力繫統、飛控繫統、遙控遙測繫統、傳感器、衛星導航定位繫統、光流定位繫統、無線圖傳繫統和地面測控站等方面的基礎知識，這些內容主要在第1章介紹，是針對航模愛好者與初學者的入門參考資料。需要了解飛控繫統硬件設計的讀者可以重點閱讀第2章，該章深入淺出地介紹無人機飛控繫統的硬件設計，處理器的選型和應用。在此基礎上，讀者可以進一步學習無人機飛控繫統軟件開發的詳細流程與方法，包括嵌入式實時操作繫統的相關知識、飛控繫統的各種傳感器的數據采集和處理、自動控制的核心（即控制繫統的狀態估計在無人機繫統中的應用和開發），以及PID線性控制規律的設計核心方案，這些內容主要在第6章、第7章和第8章中介紹，這一部分也是本書的重點內容。此外，通過本書，讀者還能夠了解到無人機的自主導航的相關知識，包括室內導航和室外導航的一些核心知識，以及避障繫統的相關介紹。本書還介紹了針對無人機地面測控站設計的核心技術、遙測數據鏈路的通信原理設計、飛控參數存儲加載與更新以及其他一些輔助功能的相關介紹。此外，本書還對無人機飛控繫統的應用調試與檢測設備進行了詳細的介紹，因此對於希望學習了解無人機飛控軟件算法並且需要進行深入研究的讀者和愛好者，本書都是一種非常有價值的參考書籍。本書主要由北京航空航天大學林慶峰老師及武漢飛航科技有限公司研發人員編寫而成，所有作者均有多年從事無人機設計研發及應用方面的經驗。除三位主要作者的工作之外，本書還凝聚了武漢飛航科技有限公司技術團隊的眾多工程師的辛勤勞動，他們是徐凡、鄭森林、徐仕斌、吳志雄、雷航、王飛、魏德明、畢野、楊金星、奚天麒、張瑋和張偉，在此對他們一一表示感謝。此外，本書還得到了鄭州航空工業管理學院電子通信工程學院的陳宇老師的支持和指導。本書所介紹和闡述的飛控繫統和其他各部分無人機設備及檢測設備均由武漢飛航科技有限公司提供，所介紹的實驗案例均可在該公司的光標繫列飛控設備上運行。由於編者水平所限，並且時間倉促，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。編者2017年3月
| 
