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第1章 绪论1

1.1 飞行器分类1

1.2 无人机的概念6

1.3 无人机自主飞行8

1.3.1 自主飞行概念8

1.3.2 无人机自主控制等级9

1.3.3 无人机模块化结构12

1.4 国际空中机器人大赛14

1.5 开源飞控17

1.6 飞行器控制涉及的知识22

第2章 空间坐标系及姿态角描述25

2.1 满足右手定则的坐标系25

2.2 方向余弦阵28

2.2.1 二维坐标旋转28

2.2.2 三维坐标旋转29

2.3 欧拉角32

2.4 由等效旋转矢量到四元数35

2.4.1 向量点乘和叉乘35

2.4.2 等效旋转矢量36

2.4.3 复数形式四元数39

2.5 四元数、欧拉角以及方向余弦阵对比41

第3章 四旋翼飞行器数学模型43

3.1 飞行要素43

3.1.1 大气飞行环境43

3.1.2 伯努利定理45

3.1.3 固定翼飞机的平飞48

3.2 四旋翼飞行器的飞行原理49

3.3 四旋翼飞行器的数学模型53

3.3.1 数学模型概述53

3.3.2 建模假设条件54

3.3.3 动力子系统建模55

3.3.4 动力学模型56

3.3.5 运动学模型61

3.3.6 模型的简化63

3.4 四旋翼飞行器的特点65

第4章 传感器及姿态角测量66

4.1 基本概念66

4.2 MEMS68

4.3 陀螺仪69

4.3.1 机械陀螺仪原理69

4.3.2 MEMS陀螺仪70

4.3.3 ITG3200应用71

4.4 加速度计72

4.4.1 加速度计原理72

4.4.2 LIS3VDQ结构74

4.4.3 加速度计标定75

4.5 磁罗盘79

4.5.1 磁罗盘原理79

4.5.2 磁罗盘LSM303DLH80

4.5.3 磁罗盘标定82

4.6 GPS83

4.7 姿态角测量公式85

4.7.1 俯仰角和滚转角测量85

4.7.2 偏航角测量86

第5章 卡尔曼滤波91

5.1 线性系统状态能观性91

5.2 卡尔曼滤波原理93

5.2.1 数学基础93

5.2.2 卡尔曼滤波算法94

5.2.3 卡尔曼滤波案例198

5.2.4 卡尔曼滤波案例299

5.2.5 参数分析99

5.2.6 扩展卡尔曼滤波100

5.3 卡尔曼滤波在姿态解算中的应用102

5.3.1 四元数微分方程102

5.3.2 状态模型104

5.3.3 测量模型104

5.3.4 卡尔曼滤波算法步骤107

5.3.5 四旋翼姿态解算代码实现107

第6章 动力系统109

6.1 电动机109

6.1.1 有刷电动机109

6.1.2 空心杯电动机110

6.1.3 无刷电动机特点110

6.1.4 无刷电动机结构111

6.1.5 无刷电动机工作原理113

6.1.6 无刷电动机参数116

6.2 电调119

6.2.1 电调功能119

6.2.2 电调原理120

6.2.3 电调参数122

6.3 电池123

6.3.1 锂电池简介123

6.3.2 电池参数125

6.3.3 电池使用注意事项128

6.4 螺旋桨130

6.4.1 螺旋桨的作用130

6.4.2 螺旋桨的分类132

6.4.3 螺旋桨的参数133

6.5 导线134

6.6 机架136

第7章 嵌入式主控系统138

7.1 微型计算机的组成138

7.2 CM3体系结构140

7.3 CM3寄存器144

7.4 STM32的存储结构148

7.4.1 总线接口148

7.4.2 CM3存储器组织150

7.4.3 STM32存储器映射151

7.4.4 大端和小端154

7.4.5 字节对齐155

7.4.6 动态内存159

7.5 ARM指令集159

7.6 STM32F1和STM32F4的区别164

7.7 STM32的选型166

7.8 嵌入式系统分层结构169

第8章 PID控制算法173

8.1 控制的基本过程173

8.2 四旋翼飞行器PID控制器原理174

8.2.1 PID控制基本理论174

8.2.2 控制规律的选择176

8.2.3 四旋翼飞行器的串级PID控制177

8.3 PID参数整定178

8.3.1 PID参数对系统性能的影响178

8.3.2 参数整定基本概念181

8.3.3 单环PID参数整定181

8.3.4 串级PID参数整定182

第9章 嵌入式操作系统184

9.1 操作系统基本概念184

9.1.1 操作系统功能184

9.1.2 操作系统工作过程185

9.1.3 前后台系统186

9.1.4 实时操作系统186

9.1.5 通用操作系统与实时操作系统的比较186

9.2 飞行器与操作系统188

9.3 操作系统中的任务190

9.3.1 任务的特性190

9.3.2 多任务的实现192

9.3.3 任务划分的目标192

9.4 FreeRTOS操作系统简介193

9.5 FreeRTOS中的任务管理195

9.5.1 FreeRTOS中的任务195

9.5.2 相对延时197

9.5.3 绝对延时197

9.6 FreeRTOS中的互斥信号量198

9.6.1 互斥信号量的概念199

9.6.2 互斥信号量的应用201

9.7 FreeRTOS中的任务通信205

9.7.1 队列概念205

9.7.2 队列通信案例207

9.8 飞控操作系统中的任务及其通信208

第10章 无线通信210

10.1 无线通信原理210

10.2 无线电波213

10.2.1 无线通信按频率分类213

10.2.2 2.4GHz无线技术简介216

10.2.3 2.4GHz无线通信扩频技术217

10.2.4 2.4GHz无线技术特点220

10.3 手持遥控器工作原理220

10.3.1 发射机220

10.3.2 接收机226

10.3.3 设备使用中需注意的问题228

10.4 飞行器的其他无线通信229

第11章 飞手实训231

11.1 无人机就业职位要求231

11.2 飞手练习方法233

11.3 民用无人机空中交通管理办法238

11.4 飞行时的注意事项241

11.4.1 人242

11.4.2 机245

11.4.3 环境246

11.5 飞行器检修及保养247

附录A 磁罗盘椭球拟合标定程序250

附录B 卡尔曼滤波代码255

附录C PID参数对系统性能影响试验代码257

参考文献259