一本書看懂多旋翼無人機

第1章多旋翼無人機簡介
1.1 多旋翼機發(fā)展簡史 2
1.1.1 多旋翼機的起源 2
1.1.2 逐漸復蘇 4
1.1.3 多旋翼機的春天 5
1.2 無人機與航空模型 6
1.2.1 機型分類 6
1.2.2 航空模型飛機 10
1.2.3 全自動無人機 10
1.3 開源飛控簡介 11
1.3.1 Arduino飛控 12
1.3.2 Crazyflie迷你飛行器 12
1.3.3 APM飛控 12
1.3.4 Pixhawk與PX4 13

第2章飛行原理
2.1 基本姿態(tài) 15
2.1.1 動力來源 15
2.1.2 垂向運動 17
2.1.3 飛行姿態(tài) 18
2.2 飛行原理 22
2.2.1 滾轉(zhuǎn)角與定高飛行 22
2.2.2 滾轉(zhuǎn)角與水平運動 23
2.3 十字形與叉形四旋翼 26
2.3.1 運動方向與姿態(tài) 26
2.3.2 混合控制方法 27

第3章硬件結(jié)構(gòu)設計
3.1 螺旋槳 30
3.1.1 制作材料 30
3.1.2 直徑、螺距與弦長 30
3.1.3 多葉螺旋槳 31
3.1.4 靜平衡與動平衡 32
3.2 有刷電機與無刷電機 32
3.2.1 電磁鐵轉(zhuǎn)動原理 32
3.2.2 有刷電機 34
3.2.3 無刷電機 35
3.2.4 相關參數(shù) 37
3.3 電調(diào)與PWM信號 37
3.3.1 電調(diào) 37
3.3.2 PWM信號 38
3.3.3 直流有刷電調(diào) 39
3.3.4 直流無刷電調(diào) 39
3.3.5 電調(diào)安全保護機制 40
3.3.6 最大和最小行程校準 41
3.4 動力電池 41
3.4.1 電池電壓 41
3.4.2 電池容量與放電倍率 43
3.5 遙控器 44
3.5.1 遙控器與接收機 44
3.5.2 美國手與日本手 45
3.6 機架設計 46
3.6.1 選材 46
3.6.2 布局 47
3.6.3 軸距 48
3.6.4 涵道 49
3.6.5 腳架 49

第4章自駕儀與硬件組裝
4.1 Pixhawk自駕儀 51
4.1.1 概覽 51
4.1.2 接口說明 53
4.2 硬件清單與組裝說明 57
4.2.1 硬件清單 57
4.2.2 組裝說明 58

第5章開源飛控程序
5.1 飛控程序下載與編譯 64
5.1.1 PX4飛控程序下載 64
5.1.2 Fedroa編譯環(huán)境搭建 68
5.1.3 Ubuntu編譯環(huán)境搭建 71
5.1.4 PX4飛控程序編譯與燒寫 73
5.1.5 QGroundControl下載與編譯 75
5.2 航前準備與航前校準 77
5.2.1 航前準備 78
5.2.2 航前校準 84
5.3 飛行模式 86
5.3.1 Stabilized增穩(wěn)模式 87
5.3.2 Manual手動模式 87
5.3.3 Altitude高度模式 87
5.3.4 Position位置模式 88
5.3.5 Mission任務模式 89
5.3.6 Hold定點模式 89
5.3.7 Takeoff/Land起飛降落模式 90
5.3.8 Return返航模式 90
5.3.9 Acro/Rattitude特技姿態(tài)模式 91
5.3.10 Offboard離線模式 92
5.3.11 Follow Me跟隨模式 92

第6章飛控架構(gòu)與通信協(xié)議
6.1 架構(gòu)總覽 94
6.1.1 數(shù)據(jù)存儲 94
6.1.2 內(nèi)部通信總線 95
6.1.3 外部通信總線 95
6.1.4 驅(qū)動程序 96
6.1.5 飛行控制器 97
6.2 源代碼結(jié)構(gòu)設計 98
6.2.1 編譯目標目錄（build） 99
6.2.2 編譯配置目錄（cmake） 101
6.2.3 外部通信接口（Mavlink） 109
6.2.4 內(nèi)部通信接口（msg） 116
6.2.5 運行平臺（platforms） 120
6.2.6 ROM文件系統(tǒng)（ROMFS） 124
6.2.7 功能源代碼（src） 127
6.2.8 其他工具（Tools） 130
6.3 uORB 130
6.3.1 基本通信原理 130
6.3.2 uORB設計與實現(xiàn) 132
6.3.3 uORB使用方法 145
6.4 Mavlink 147
6.4.1 整體功能設計 147
6.4.2 Mavlink主程序 148
6.4.3 MavlinkStream發(fā)送器 154
6.4.4 MavlinkReceiver接收器 159

第7章開源操作系統(tǒng)NuttX
7.1 NuttX概述 175
7.1.1 NuttX簡介 175
7.1.2 系統(tǒng)特性 175
7.1.3 支持的平臺 178
7.2 用戶接口 183
7.2.1 任務控制接口 183
7.2.2 任務調(diào)度接口 188
7.2.3 調(diào)度控制接口 190
7.2.4 消息隊列接口 192
7.2.5 信號量接口 193
7.2.6 環(huán)境變量 196
7.2.7 文件系統(tǒng)接口 197
7.2.8 網(wǎng)絡接口 197
7.3 NuttShell（NSH） 199
7.3.1 概覽 199
7.3.2 常用命令 201

第8章進程、線程及工作隊列
8.1 任務調(diào)度 211
8.1.1 并行任務 211
8.1.2 多級反饋隊列 212
8.1.3 搶占式優(yōu)先級調(diào)度 213
8.2 多進程 214
8.2.1 什么是進程 214
8.2.2 創(chuàng)建進程 216
8.3 多線程 224
8.3.1 什么是線程 224
8.3.2 創(chuàng)建線程 225
8.3.3 線程與進程的區(qū)別 230
8.4 工作隊列 232
8.4.1 什么是工作隊列 232
8.4.2 加入工作隊列 235
8.5 信號量與鎖 237
8.5.1 互斥信號量 238
8.5.2 同步信號量 244
8.5.3 互斥鎖與條件變量 245

第9章驅(qū)動程序
9.1 系統(tǒng)級驅(qū)動程序 251
9.1.1 通用接口函數(shù) 251
9.1.2 注冊驅(qū)動程序 255
9.1.3 編寫驅(qū)動程序 258
9.1.4 LED燈驅(qū)動程序 266
9.2 SPI驅(qū)動程序 268
9.2.1 SPI總線協(xié)議 268
9.2.2 SPI管腳配置 269
9.2.3 SPI驅(qū)動類 275
9.2.4 SPI氣壓計驅(qū)動程序 279
9.3 I2C驅(qū)動程序 287
9.3.1 I2C總線協(xié)議 287
9.3.2 I2C驅(qū)動類 288
9.4 應用級驅(qū)動程序 289
9.4.1 準備工作 289
9.4.2 實現(xiàn)驅(qū)動程序 292

第10章遙控器協(xié)議
10.1 PWM 297
10.1.1 PWM信號使用 297
10.1.2 PWM信號采集 298
10.2 PPM 302
10.2.1 PPM信號使用 302
10.2.2 PPM信號采集 303
10.3 S.BUS 310
10.3.1 S.BUS接口配置 310
10.3.2 S.BUS協(xié)議格式 312
10.3.3 S.BUS協(xié)議解析 313

第11章飛控狀態(tài)與命令執(zhí)行
11.1 主狀態(tài)與切換 319
11.1.1 主狀態(tài)定義與切換條件 319
11.1.2 主狀態(tài)切換命令與響應 325
11.2 導航狀態(tài)與控制模式 337
11.2.1 導航狀態(tài)定義與切換條件 337
11.2.2 控制模式及其開關條件 343
11.3 飛控鎖定與解鎖 347
11.3.1 飛控鎖定保護 347
11.3.2 鎖定與解鎖狀態(tài) 347
11.4 其他功能 350
11.4.1 起飛點設置 350
11.4.2 航燈設置 354
11.4.3 安全開關 356

第12章狀態(tài)估計
12.1 傳感器校準 360
12.1.1 加速度計 360
12.1.2 陀螺儀 366
12.1.3 磁羅盤 369
12.1.4 水平儀 372
12.2 卡爾曼濾波 375
12.2.1 卡爾曼濾波原理 375
12.2.2 公式推導 377
12.3 姿態(tài)解算與速度位置估計 380
12.3.1 坐標系變換 380
12.3.2 姿態(tài)解算 383
12.3.3 速度位置估計 385

第13章飛行控制方法
13.1 反饋、PID、串級控制 389
13.1.1 反饋控制 389
13.1.2 PID控制 391
13.1.3 串級控制 392
13.2 姿態(tài)控制 394
13.2.1 姿態(tài)控制原理 394
13.2.2 姿態(tài)控制過程 395
13.3 位置控制 400
13.3.1 位置控制原理 400
13.3.2 位置控制過程 403
13.4 混合控制器 408
13.4.1 多旋翼混控原理 408
13.4.2 混控配置文件 413
13.4.3 PWM輸出 417

第14章航線規(guī)劃全自動飛行
14.1 導航基本原理 425
14.1.1 導航目標 425
14.1.2 搜索算法 426
14.1.3 預設航線 427
14.2 導航模塊設計 428
14.2.1 導航引擎 428
14.2.2 自動任務設計 433
14.2.3 自動起飛與降落 438
14.2.4 自動航跡點任務 438
14.2.5 自動返航 440
14.2.6 目標跟隨與其他導航模式 443

第15章動力學建模及半物理仿真
15.1 動力學建模 445
15.1.1 動力模型 445
15.1.2 受力運動 446
15.2 半物理仿真 448
15.2.1 使用jMavSim仿真程序 448
15.2.2 自行編寫仿真程序 450

第16章外部控制與趣味航線
16.1 外部控制系統(tǒng) 458
16.1.1 方案設計 458
16.1.2 功能實現(xiàn) 460
16.2 趣味航線規(guī)劃 470
16.2.1 等邊三角形 470
16.2.2 圓形 473
16.2.3 三葉草 474
16.2.4 阿基米德螺旋線 476

參考文獻 478