导语

  

内容提要

  

    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。

    李德强，男，1983年出生，山东淄博人，毕业于武汉轻工大学。
    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LidqOS操作系统和DolphinOS操作系统，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。

第1章  多旋翼无人机简介
  1.1  多旋翼机发展简史
    1.1.1  多旋翼机的起源
    1.1.2  逐渐复苏
    1.1.3  多旋翼机的春天
  1.2  无人机与航空模型
    1.2.1  机型分类
    1.2.2  航空模型飞机
    1.2.3  全自动无人机
  1.3  开源飞控简介
    1.3.1  Arduino飞控
    1.3.2  Crazyflie迷你飞行器
    1.3.3  APM飞控
    1.3.4  Pixhawk与PX
第2章  飞行原理
  2.1  基本姿态
    2.1.1  动力来源
    2.1.2  垂向运动
    2.1.3  飞行姿态
  2.2  飞行原理
    2.2.1  滚转角与定高飞行
    2.2.2  滚转角与水平运动
  2.3  十字形与叉形四旋翼
    2.3.1  运动方向与姿态
    2.3.2  混合控制方法
第3章  硬件结构设计
  3.1  螺旋桨
    3.1.1  制作材料
    3.1.2  直径、螺距与弦长
    3.1.3  多叶螺旋桨
    3.1.4  静平衡与动平衡
  3.2  有刷电机与无刷电机
    3.2.1  电磁铁转动原理
    3.2.2  有刷电机
    3.2.3  无刷电机
    3.2.4  相关参数
  3.3  电调与PWM信号
    3.3.1  电调
    3.3.2  PWM信号
    3.3.3  直流有刷电调
    3.3.4  直流无刷电调
    3.3.5  电调安全保护机制
    3.3.6  最大和最小行程校准
  3.4  动力电池
    3.4.1  电池电压
    3.4.2  电池容量与放电倍率
  3.5  遥控器
    3.5.1  遥控器与接收机
    3.5.2  美国手与日本手
  3.6  机架设计
    3.6.1  选材
    3.6.2  布局
    3.6.3  轴距
    3.6.4  涵道
    3.6.5  脚架
第4章  自驾仪与硬件组装
  4.1  Pixhawk自驾仪
    4.1.1  概览
    4.1.2  接口说明
  4.2  硬件清单与组装说明
    4.2.1  硬件清单
    4.2.2  组装说明
第5章  开源飞控程序
  5.1  飞控程序下载与编译
    5.1.1  PX4飞控程序下载
    5.1.2  Fedroa编译环境搭建
    5.1.3  Ubuntu编译环境搭建
    5.1.4  PX4飞控程序编译与烧写
    5.1.5  QGroundControl下载与编译
  5.2  航前准备与航前校准
    5.2.1  航前准备
    5.2.2  航前校准
  5.3  飞行模式
    5.3.1  Stabilized增稳模式
    5.3.2  Manual手动模式
    5.3.3  Altitude高度模式
    5.3.4  Position位置模式
    5.3.5  Mission任务模式
    5.3.6  Hold定点模式
    5.3.7  Takeoff/Land起飞降落模式
    5.3.8  Return返航模式
    5.3.9  Acro/Rattitude特技姿态模式
    5.3.10  Offboard离线模式
    5.3.11  Follow Me跟随模式
第6章  飞控架构与通信协议
  6.1  架构总览
    6.1.1  数据存储
    6.1.2  内部通信总线
    6.1.3  外部通信总线
    6.1.4  驱动程序
    6.1.5  飞行控制器
  6.2  源代码结构设计
    6.2.1  编译目标目录（build）
    6.2.2  编译配置目录（cmake）
    6.2.3  外部通信接口（Mavlink）
    6.2.4  内部通信接口（msg）
    6.2.5  运行平台（platforms）
    6.2.6  ROM文件系统（ROMFS）
    6.2.7  功能源代码（src）
    6.2.8  其他工具（Tools）
  6.3  uORB
    6.3.1  基本通信原理
    6.3.2  uORB设计与实现
    6.3.3  uORB使用方法
  6.4  Mavlink
    6.4.1  整体功能设计
    6.4.2  Mavlink主程序
    6.4.3  MavlinkStream发送器
    6.4.4  MavlinkReceiver接收器
第7章  开源操作系统NuttX
  7.1  NuttX概述
    7.1.1  NuttX简介
    7.1.2  系统特性
    7.1.3  支持的平台
  7.2  用户接口
    7.2.1  任务控制接口
    7.2.2  任务调度接口
    7.2.3  调度控制接口
    7.2.4  消息队列接口
    7.2.5  信号量接口
    7.2.6  环境变量
    7.2.7  文件系统接口
    7.2.8  网络接口
  7.3  NuttShell（NSH）
    7.3.1  概览
    7.3.2  常用命令
第8章  进程、线程及工作队列
  8.1  任务调度
    8.1.1  并行任务
    8.1.2  多级反馈队列
    8.1.3  抢占式优先级调度
  8.2  多进程
    8.2.1  什么是进程
    8.2.2  创建进程
  8.3  多线程
    8.3.1  什么是线程
    8.3.2  创建线程
    8.3.3  线程与进程的区别
  8.4  工作队列
    8.4.1  什么是工作队列
    8.4.2  加入工作队列
  8.5  信号量与锁
    8.5.1  互斥信号量
    8.5.2  同步信号量
    8.5.3  互斥锁与条件变量
第9章  驱动程序
  9.1  系统级驱动程序
    9.1.1  通用接口函数
    9.1.2  注册驱动程序
    9.1.3  编写驱动程序
    9.1.4  LED灯驱动程序
  9.2  SPI驱动程序
    9.2.1  SPI总线协议
    9.2.2  SPI管脚配置
    9.2.3  SPI驱动类
    9.2.4  SPI气压计驱动程序
  9.3  I2C驱动程序
    9.3.1  I2C总线协议
    9.3.2  I2C驱动类
  9.4  应用级驱动程序
    9.4.1  准备工作
    9.4.2  实现驱动程序
第10章  遥控器协议
  10.1  PWM
    10.1.1  PWM信号使用
    10.1.2  PWM信号采集
  10.2  PPM
    10.2.1  PPM信号使用
    10.2.2  PPM信号采集
  10.3  S.BUS
    10.3.1  S.BUS接口配置
    10.3.2  S.BUS协议格式
    10.3.3  S.BUS协议解析
第11章  飞控状态与命令执行
  11.1  主状态与切换
    11.1.1  主状态定义与切换条件
    11.1.2  主状态切换命令与响应
  11.2  导航状态与控制模式
    11.2.1  导航状态定义与切换条件
    11.2.2  控制模式及其开关条件
  11.3  飞控锁定与解锁
    11.3.1  飞控锁定保护
    11.3.2  锁定与解锁状态
  11.4  其他功能
    11.4.1  起飞点设置
    11.4.2  航灯设置
    11.4.3  安全开关
第12章  状态估计
  12.1  传感器校准
    12.1.1  加速度计
    12.1.2  陀螺仪
    12.1.3  磁罗盘
    12.1.4  水平仪
  12.2  卡尔曼滤波
    12.2.1  卡尔曼滤波原理
    12.2.2  公式推导
  12.3  姿态解算与速度位置估计
    12.3.1  坐标系变换
    12.3.2  姿态解算
    12.3.3  速度位置估计
第13章  飞行控制方法
  13.1  反馈、PID、串级控制
    13.1.1  反馈控制
    13.1.2  PID控制
    13.1.3  串级控制
  13.2  姿态控制
    13.2.1  姿态控制原理
    13.2.2  姿态控制过程
  13.3  位置控制
    13.3.1  位置控制原理
    13.3.2  位置控制过程
  13.4  混合控制器
    13.4.1  多旋翼混控原理
    13.4.2  混控配置文件
    13.4.3  PWM输出
第14章  航线规划全自动飞行
  14.1  导航基本原理
    14.1.1  导航目标
    14.1.2  搜索算法
    14.1.3  预设航线
  14.2  导航模块设计
    14.2.1  导航引擎
    14.2.2  自动任务设计
    14.2.3  自动起飞与降落
    14.2.4  自动航迹点任务
    14.2.5  自动返航
    14.2.6  目标跟随与其他导航模式
第15章  动力学建模及半物理仿真
  15.1  动力学建模
    15.1.1  动力模型
    15.1.2  受力运动
  15.2  半物理仿真
    15.2.1  使用jMavSim仿真程序
    15.2.2  自行编写仿真程序
第16章  外部控制与趣味航线
  16.1  外部控制系统
    16.1.1  方案设计
    16.1.2  功能实现
  16.2  趣味航线规划
    16.2.1  等边三角形
    16.2.2  圆形
    16.2.3  三叶草
    16.2.4  阿基米德螺旋线
参考文献