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| 編輯推薦： |
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本书基于Paparazzi环境开发，以Paparazzi开源项目为例，从多个方面阐述了四旋翼无人机的理论算法和软件实现，较系统地阐述必要的基础知识，配以工程实践介绍开发流程，做到理论与实践紧密结合。内容详实、案例丰富，配以视频精讲，手把手带你实现基于Paparazzi的小型四旋翼无人机设计与开发。
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| 內容簡介： |
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本书从实际设计角度出发，以开源飞行控制软件Paparazzi为开发工具，系统地介绍了四旋翼无人机设计中的硬件基础知识、软件基础知识以及相关的控制理论等，通过对Paparazzi程序代码的解析和参数整定，阐述四旋翼无人机设计中理论知识和应用实践相互结合的主要方法。 本书可作为自动控制、无人机工程等相关专业本科生或研究生的教学用书，也可供相关领域的工程技术人员和研究人 员参考。
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| 目錄：
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基 础 知 识 篇
第1章四旋翼无人机概述
1.1四旋翼无人机
1.2四旋翼无人机的起源和发展
1.3四旋翼无人机的飞行原理
1.3.1四旋翼无人机的结构布局
1.3.2四旋翼无人机的飞行
1.4四旋翼无人机的开源项目
1.4.1硬件部分
1.4.2软件部分
1.5Paparazzi简介
1.5.1Paparazzi的开源硬件
1.5.2Paparazzi的开源软件
小结
第2章四旋翼无人机的硬件
2.1机架
2.1.1机架支臂的材质
2.1.2机架的其他性能指标
2.2电机
2.2.1直流有刷电机
2.2.2直流无刷电机
2.3电子调速器
2.3.1电子调速器的硬件
2.3.2电子调速器的软件
2.4螺旋桨
2.5电池
2.6遥控器
2.7数传模块
2.7.13DRRadio数传电台
2.7.2XBee数传电台
2.8Lisa系列自动驾驶仪
2.8.1Lisa/L系列自动驾驶仪
2.8.2Lisa/S系列自动驾驶仪
2.8.3Lisa/M系列自动驾驶仪
2.8.4Aspirin IMU模块
2.9常用的微控制器简介
2.9.1STM32F105RCT6微控制器
2.9.2STM32F405RGT6微控制器
2.10常用传感器芯片简介
2.10.1三轴陀螺仪和加速度计MPU60X0
2.10.2三轴磁强计HMC5883L
2.10.3气压计BMP085
2.10.4气压计MS5611
小结
第3章C语言和GCC编译器
3.1C语言标准
3.1.1K&R C语言标准
3.1.2ANSI C语言标准
3.1.3AMD1 C语言标准
3.1.4C99标准
3.1.5C11标准
3.2GCC的C语言扩展
3.2.1语句表达式
3.2.2标号变量
3.2.3case范围
3.2.4typeof关键字
3.2.5条件表达式的省略
3.2.6内建函数
3.2.7内联函数
3.2.8内联汇编
3.2.9特殊属性声明
小结
第4章四旋翼的数学模型
4.1矢量定义和计算
4.1.1矢量定义
4.1.2矢量的计算
4.1.3矢量的微分
4.1.4科里奥利公式
4.2坐标变换
4.2.1坐标变换矩阵
4.2.2基元旋转矩阵
4.2.3一般坐标变换
4.2.4欧拉转动定理
4.2.5坐标变化的变化率
4.3常用坐标系
4.3.1全球坐标系
4.3.2本地坐标系
4.3.3机体坐标系
4.4常用坐标系之间的坐标变换
4.4.1大地坐标系到地心坐标系
4.4.2地心坐标系到大地坐标系
4.4.3地心坐标系到本地坐标系
4.4.4本地坐标系到地心坐标系
4.5四元数理论
4.5.1四元数的定义和性质
4.5.2四元数旋转变换
4.5.3四元数和坐标变换矩阵
4.5.4以四元数表示相对运动方程
4.6运动学方程和动力学方程
4.6.1质点的运动学方程和动力学方程
4.6.2质点系运动学方程和动力学方程
4.7刚体的运动方程
4.7.1刚体运动描述
4.7.2惯性矩阵
4.7.3刚体质心运动方程
4.7.4刚体转动方程
4.8旋翼
4.8.1旋翼的作用
4.8.2旋翼的基本参数
4.8.3旋翼的拉力
4.9四旋翼无人机的数学模型
4.9.1数学模型中的相关定义
4.9.2四旋翼无人机的线运动
4.9.3四旋翼无人机的转动
小结
第5章控制理论
5.1控制理论的基本概念
5.1.1控制的基本方式
5.1.2控制系统的性能
5.2PID控制器
5.2.1通断控制器
5.2.2比例控制器（P控制器）
5.2.3比例积分控制器（PI控制器）
5.2.4比例微分控制器（PD控制器）
5.2.5比例积分微分控制器（PID控制器）
5.2.6PID控制器的改进
5.3复合控制
5.3.1前馈控制
5.3.2按干扰补偿的复合控制
5.3.3按输入补偿的复合控制
5.4前置滤波器
5.5常用数字滤波算法
5.5.1算术平均值滤波
5.5.2加权平均值滤波
5.5.3递推平均滤波（滑动平均滤波）
5.5.4中值滤波
5.5.5程序判断滤波
5.5.6惯性滤波
5.5.7互补滤波
5.5.8卡尔曼滤波
5.5.9扩展卡尔曼滤波
5.6Paparazzi的四旋翼无人机控制系统
小结
实 践 应 用 篇
第6章Paparazzi软件工具
6.1Paparazzi开发环境
6.1.1安装Linux操作系统
6.1.2安装Paparazzi开发工具
6.2Paparazzi Center简介
6.2.1Paparazzi Center主窗口
6.2.2Paparazzi Center的工具集
6.2.3Paparazzi Center的地面控制站
6.2.4飞行计划编辑
6.2.5飞行仿真
小结
第7章Paparazzi四旋翼无人机的配置文件
7.1机身配置
7.1.1Airframe的文档类型定义
7.1.2固件设定
7.1.3设置执行元件参数
7.1.4设置IMU校准参数
7.1.5设置控制器参数
7.1.6加载模块
7.1.7设置仿真参数
7.1.8设置电源监测参数
7.1.9飞行模式设置
7.2飞行计划配置
7.2.1飞行计划文件文档类型定义
7.2.2飞行计划文件的根元素
7.2.3包含头文件
7.2.4航程点设置
7.2.5飞行区域
7.2.6飞行任务
7.3可调参数配置
7.3.1通过遥控器调整参数
7.3.2通过数据链调整参数
7.4遥控器配置
7.5遥测信息设置
7.5.1信息格式的定义
7.5.2遥测信息的封装
小结
第8章Paparazzi四旋翼无人机程序解析
8.1Paparazzi工程文件分析
8.2主函数解析
8.2.1系统初始化
8.2.2任务调度
8.2.3事件处理
8.3ABI消息机制
8.4IMU接口程序
8.5航姿参考系统
8.5.1AHRS模块的对准
8.5.2基于欧拉角的互补滤波算法
8.5.3基于四元数的互补滤波算法
8.5.4卡尔曼滤波算法
8.6组合导航系统
8.6.1垂直方向的组合导航
8.6.2水平方向的组合导航
8.7飞行计划设置
8.7.1飞行计划的用户接口文件
8.7.2飞行计划的C语言描述
8.7.3本地坐标系原点设置
8.7.4航程点设置
8.7.5飞行任务设置
8.8飞行控制任务
8.8.1飞行控制任务主函数
8.8.2飞行模式设置
8.8.3导航信息的设置
8.8.4水平导航控制
8.8.5垂直导航控制
8.8.6姿态控制
8.9数据链通信
8.9.1通信协议栈
8.9.2应用接口层
8.9.3传输协议层
8.9.4硬件接口层
小结
第9章四旋翼控制器参数整定
9.1姿态控制器整定
9.1.1数学模型简化
9.1.2反馈控制器参数整定
9.1.3前馈控制器参数整定
9.1.4前置滤波器对控制参数的影响
9.2水平导航控制器整定
9.2.1数学模型简化
9.2.2反馈控制器参数整定
9.2.3前馈控制器
9.2.4前置滤波器
9.3垂直方向控制器整定
9.3.1数学模型简化
9.3.2反馈控制器参数整定
9.3.3前馈控制器
9.3.4前置滤波器
9.4影响控制器整定的其他因素
9.4.1数字化控制器
9.4.2多入多出系统
9.4.3控制器中的限幅
9.4.4噪声的影响
9.4.5控制器参数整定的验证
小结
第10章四旋翼无人机实例
10.1四旋翼无人机硬件选型和组装
10.1.1硬件选型
10.1.2硬件组装
10.2设定机型
10.3设定机身配置文件
10.3.1修改机身配置文件中的遥控器设定
10.3.2设置四旋翼机型布局
10.3.3设定IMU传感器板的校准信息
10.4创建遥控器配置文件
10.5静态实验
10.6实际飞行实验
小结
附录A气压高度测量
附录BPaparazzi四旋翼无人机的代码树
附录C乘性扩展卡尔曼滤波
附录DMATLAB代码
附录E无人机航空摄影
参考文献
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| 內容試閱：
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四旋翼无人机也称为四旋翼、四轴或四轴飞行器，是一种能够自由悬停、垂直起降、结构简单且易于控制的无人机。随着微机电技术的成熟，四旋翼无人机实现了小型化。四旋翼无人机的设计是一个系统工程，其中涉及机械、电子、电路设计、空气动力学、无线通信、嵌入式软件设计、滤波理论、控制理论、导航技术以及基础的航模知识等多方面的技术和理论。近年来，针对四旋翼无人机的开发和设计，涌现出一批开源硬件和软件产品。从软件的可读性、模块化、可移植性以及功能的完备性等多方面考虑，Paparazzi是诸多开源软件中较为优秀的一个。编者在使用Paparazzi设计开发四旋翼飞行的过程中积累了一些相关理论和技术的学习笔记，现将这些比较零散的知识整理成册，希望对想要学习或从事四旋翼无人机设计的人员能有一定参考价值。
本书以Paparazzi开源实现为主线，贯穿小型四旋翼无人机设计与开发的有关内容，主要从硬件设计、软件编程和原理算法分析等方面进行阐述。
全书分基础知识篇和实践应用篇两部分。基础知识篇包括第1~5章，主要介绍四旋翼无人机的飞行原理、硬件、C语言、坐标系、数学模型和控制理论等在四旋翼无人机设计与开发中涉及的基础知识。
其中，第1章为四旋翼无人机概述，介绍四旋翼无人机的起源、发展、基本飞行原理以及常见的四旋翼无人机的开源项目； 第
2章介绍四旋翼无人机的硬件，包括机架、电机、电子调速器、螺旋桨、电池、遥控器、数传模块、
Lisa系列自动驾驶仪、常用的微控制器等模块的主要性能和特点； 第3章主要介绍C语言的不同语言标准，以及在Paparazzi中所使用的GCC编译器的部分C语言扩展，期望通过本章的内容
能加深读者对Paparazzi中C语言的理解；
第4章以四旋翼的数学模型为主线，介绍矢量、坐标系、四元数、运动学建模、动力学建模、旋翼的性能和数学模型等四旋翼建模的基础知识； 第5章介绍控制理论部分的知识，其中包括控制理论的基本概念、PID控制器、复合控制、前置滤波器和常用的数字滤波算法等。
实践应用篇包括第6~10章，主要介绍基于Paparazzi开发四旋翼无人机的工作流程、Paparazzi的软件构架体系、Paparazzi代码实现和算法原理的对应关系、四旋翼无人机控制器参数的整定方法等基于Paparazzi开发四旋翼无人机的实践应用方法。其中，第6章介绍Paparazzi软件的安装和各组件的使用； 第7章介绍Paparazzi中四旋翼无人机的相关配置； 第8章结合嵌入式操作系统、导航系统、自动控制等相关理论，对四旋翼无人机的航姿参考系统的解算、组合导航系统的解算、飞行计划、飞行控制任务以及数据链通信等主要代码进行解析，便于读者理解其中的理论和代码实现，从而针对其中的部分算法和代码进行替换或改进； 第9章从频域综合设计的角度介绍一种四旋翼控制器参数整定的方法； 第10章给出了一个基于Paparazzi开发四旋翼无人机的实例。
配套资源
为便于教学，本书配有400分钟微课视频、源代码、教学课件、教学大纲、教案、教学进度表。
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读者对象
本书可作为自动控制、无人机工程等相关专业本科生或研究生的教学用书，也可供相关领域的工程技术人员和研究人
员参考。
本书第1章、第2章，以及第6~8章由苏立军编写； 第4、5章由齐晓慧编写； 第3章由朱红娟编写； 第9章由董海瑞编写； 第10章由席雷平编写； 全书由苏立军负责统稿。
由于编者水平有限，书中难免有不足之处，望广大读者给予批评指正。
编者2022年5月
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