多旋翼无人飞行器嵌入式习控开发指南

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**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