[正版] 多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南 高等学校电子信息类专业 林庆峰 谌利 奚海蛟 清华大学出版社

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。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。

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。

林庆峰  吉林大学交通学院博士毕业，清华大学汽车工程系博士后，密歇根大学访问学者，现任教于北京航空航天大学交通科学与工程学院。主要研究方向为智能汽车、驾驶辅助系统。出版、参编专著与教材多部。

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。

奚海蛟  北京航空航天大学电子信息工程学院博士毕业、博士后，武汉飞航科技有限公司创始人。主要研究方向为飞行器仿真、嵌入式与物联网技术。曾获首届中国航空创业大赛一等奖、中国航空创新创业大会优秀奖等多项奖励，出版物联网、嵌入式技术等等专著与教材10余部。

本书从嵌入式的基础知识开始，深入浅出地介绍了多旋翼无人飞行器（无人机）的基本设计方法。书中全面论述了无人机的硬件构成、飞控系统原理和开发流程，针对飞行器系统的状态解算给出了几种不同的解算方法，并给出了相应的实际代码。全书从各方面对无人机系统的设计进行了阐述，提供了最前沿的信息，既包括初学者希望熟悉的基础知识，也有研究者希望深入了解的算法分析，以及室内定位SLAM原理等，满足不同层次的读者的学习需求。教学课件（PPT）与相关案例代码可以到清华大学出版社网站本书页面下载。

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

2.1ARM CortexM4架构

2.1.1ARM内核

2.1.2CortexM4内核

2.1.3以ARM Cortex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

2.3.4GNSS接口

2.3.5SWD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

3.3FreeRTOS实时操作系统

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

3.6.2FreeRTOS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

3.7.2FreeRTOS任务间消息队列的实现

3.7.3FreeRTOS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

3.8.3FreeRTOS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

4.1STM32F407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块

4.2.1高级控制定时器(Advancedcontrol Timers)

4.2.2通用定时器(Generalpurpose Timers)

4.2.3基本定时器(Basic Timers)

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

5.2ST微控制器的I2C驱动

5.2.1I2C简介

5.2.2I2C驱动在STM32中的硬件实现

5.2.3I2C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

7.5.2FIR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闭环检测与后端优化

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

9.5SINS/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

10.2ST微控制器的串口通信和数传模块硬件接口

10.2.1ST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

10.4MAVLink协议实现

10.4.1MAVLink协议简介

10.4.2MAVLink数据包结构

10.4.3MAVLink消息帧讲解

10.4.4MAVLink消息帧发送与解析

10.5地面站数据接收与数据解析

10.5.1PC端地面站数据采集与存储

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、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

11.6.1FPV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

12.3STM32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硬件设计

12.4.2软件设计

12.4.3实验现象

12.5USART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

12.6ADC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

12.8FreeRTOS实时操作系统简介

12.8.1FreeRTOS基础应用

12.8.2FreeRTOS实例

12.8.3实验现象

12.9FreeRTOS操作EEPROM

12.9.1程序设计

12.9.2实验现象

12.10FreeRTOS操作MPU6050

12.10.1软件设计

12.10.2实验现象

12.11FreeRTOS操作磁力计

12.11.1软件设计

12.11.2实验现象

12.12FreeRTOS操作气压计

12.12.1软件设计

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.1FH550四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