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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 MEMS 68

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LSM303DLH 80

4.5.3 磁罗盘标定 82

4.6 GPS 83

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1 98

5.2.4 卡尔曼滤波案例2 99

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