无人机设计与开发实战——基于Paparazzi的小型四旋翼(微课视频版)

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