無人機設計與開發實戰 — 基於 Paparazzi 的小型四旋翼（微課視頻版）

 

 

 

 

目錄

基 礎 知 識 篇

 

第1章四旋翼無人機概述

 

1.1四旋翼無人機

 

1.2四旋翼無人機的起源和發展

 

1.3四旋翼無人機的飛行原理

 

1.3.1四旋翼無人機的結構佈局

 

1.3.2四旋翼無人機的飛行

 

1.4四旋翼無人機的開源項目

 

1.4.1硬件部分

 

1.4.2軟件部分

 

1.5Paparazzi簡介

 

1.5.1Paparazzi的開源硬件

 

1.5.2Paparazzi的開源軟件

 

小結

 

 

第2章四旋翼無人機的硬件

 

2.1機架

 

2.1.1機架支臂的材質

 

2.1.2機架的其他性能指標

 

2.2電機

 

2.2.1直流有刷電機

 

2.2.2直流無刷電機

 

2.3電子調速器

 

2.3.1電子調速器的硬件

 

2.3.2電子調速器的軟件

 

2.4螺旋槳

 

2.5電池

 

2.6遙控器

 

2.7數傳模塊

 

2.7.13DRRadio數傳電台

 

2.7.2XBee數傳電台

 

2.8Lisa系列自動駕駛儀

 

2.8.1Lisa/L系列自動駕駛儀

 

2.8.2Lisa/S系列自動駕駛儀

 

2.8.3Lisa/M系列自動駕駛儀

 

2.8.4Aspirin IMU模塊

 

2.9常用的微控制器簡介

 

2.9.1STM32F105RCT6微控制器

 

2.9.2STM32F405RGT6微控制器

 

2.10常用傳感器芯片簡介

 

2.10.1三軸陀螺儀和加速度計MPU60X0

 

2.10.2三軸磁強計HMC5883L

 

2.10.3氣壓計BMP085

 

2.10.4氣壓計MS5611

 

小結

 

 

 

 

 

 

第3章C語言和GCC編譯器

 

3.1C語言標準

 

3.1.1K&R C語言標準

 

3.1.2ANSI C語言標準

 

3.1.3AMD1 C語言標準

 

3.1.4C99標準

 

3.1.5C11標準

 

3.2GCC的C語言擴展

 

3.2.1語句表達式

 

3.2.2標號變量

 

3.2.3case範圍

 

3.2.4typeof關鍵字

 

3.2.5條件表達式的省略

 

3.2.6內建函數

 

3.2.7內聯函數

 

3.2.8內聯匯編

 

3.2.9特殊屬性聲明

 

 

小結

 

 

第4章四旋翼的數學模型

 

4.1矢量定義和計算

 

4.1.1矢量定義

 

4.1.2矢量的計算

 

4.1.3矢量的微分

 

4.1.4科里奧利公式

 

4.2坐標變換

 

4.2.1坐標變換矩陣

 

4.2.2基元旋轉矩陣

 

4.2.3一般坐標變換

 

4.2.4歐拉轉動定理

 

4.2.5坐標變化的變化率

 

4.3常用坐標系

 

4.3.1全球坐標系

 

4.3.2本地坐標系

 

4.3.3機體坐標系

 

4.4常用坐標系之間的坐標變換

 

4.4.1大地坐標繫到地心坐標系

 

4.4.2地心坐標繫到大地坐標系

 

4.4.3地心坐標繫到本地坐標系

 

4.4.4本地坐標繫到地心坐標系

 

4.5四元數理論

 

4.5.1四元數的定義和性質

 

4.5.2四元數旋轉變換

 

4.5.3四元數和坐標變換矩陣

 

4.5.4以四元數表示相對運動方程

 

4.6運動學方程和動力學方程

 

4.6.1質點的運動學方程和動力學方程

 

4.6.2質點系運動學方程和動力學方程

 

4.7剛體的運動方程

 

4.7.1剛體運動描述

 

4.7.2慣性矩陣

 

4.7.3剛體質心運動方程

 

4.7.4剛體轉動方程

 

4.8旋翼

 

4.8.1旋翼的作用

 

4.8.2旋翼的基本參數

 

4.8.3旋翼的拉力

 

4.9四旋翼無人機的數學模型

 

4.9.1數學模型中的相關定義

 

4.9.2四旋翼無人機的線運動

 

4.9.3四旋翼無人機的轉動

 

小結

 

 

第5章控制理論

 

5.1控制理論的基本概念

 

5.1.1控制的基本方式

 

5.1.2控制系統的性能

 

5.2PID控制器

 

5.2.1通斷控制器

 

5.2.2比例控制器（P控制器）

 

5.2.3比例積分控制器（PI控制器）

 

5.2.4比例微分控制器（PD控制器）

 

5.2.5比例積分微分控制器（PID控制器）

 

5.2.6PID控制器的改進

 

5.3復合控制

 

5.3.1前饋控制

 

5.3.2按乾擾補償的復合控制

 

5.3.3按輸入補償的復合控制

 

5.4前置濾波器

 

5.5常用數字濾波算法

 

5.5.1算術平均值濾波

 

5.5.2加權平均值濾波

 

5.5.3遞推平均濾波（滑動平均濾波）

 

5.5.4中值濾波

 

5.5.5程序判斷濾波

 

5.5.6慣性濾波

 

5.5.7互補濾波

 

5.5.8卡爾曼濾波

 

5.5.9擴展卡爾曼濾波

 

5.6Paparazzi的四旋翼無人機控制系統

 

小結

 

 

實 踐 應 用 篇

 

第6章Paparazzi軟件工具

 

6.1Paparazzi開發環境

 

6.1.1安裝Linux操作系統

 

6.1.2安裝Paparazzi開發工具

 

6.2Paparazzi Center簡介

 

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飛行計劃編輯

 

6.2.5飛行模擬

 

小結

 

 

第7章Paparazzi四旋翼無人機的配置文件

 

7.1機身配置

 

7.1.1Airframe的文檔類型定義

 

7.1.2固件設定

 

7.1.3設置執行元件參數

 

7.1.4設置IMU校準參數

 

7.1.5設置控制器參數

 

7.1.6加載模塊

 

7.1.7設置模擬參數

 

7.1.8設置電源監測參數

 

7.1.9飛行模式設置

 

7.2飛行計劃配置

 

7.2.1飛行計劃文件文檔類型定義

 

7.2.2飛行計劃文件的根元素

 

7.2.3包含頭文件

 

7.2.4航程點設置

 

7.2.5飛行區域

 

7.2.6飛行任務

 

7.3可調參數配置

 

7.3.1通過遙控器調整參數

 

7.3.2通過數據鏈調整參數

 

7.4遙控器配置

 

7.5遙測信息設置

 

7.5.1信息格式的定義

 

7.5.2遙測信息的封裝

 

小結

 

 

第8章Paparazzi四旋翼無人機程序解析

 

8.1Paparazzi工程文件分析

 

8.2主函數解析

 

8.2.1系統初始化

 

8.2.2任務調度

 

8.2.3事件處理

 

8.3ABI消息機制

 

8.4IMU接口程序

 

8.5航姿參考系統

 

8.5.1AHRS模塊的對準

 

8.5.2基於歐拉角的互補濾波算法

 

8.5.3基於四元數的互補濾波算法

 

8.5.4卡爾曼濾波算法

 

8.6組合導航系統

 

8.6.1垂直方向的組合導航

 

8.6.2水平方向的組合導航

 

8.7飛行計劃設置

 

8.7.1飛行計劃的用戶接口文件

 

8.7.2飛行計劃的C語言描述

 

8.7.3本地坐標系原點設置

 

8.7.4航程點設置

 

8.7.5飛行任務設置

 

8.8飛行控制任務

 

8.8.1飛行控制任務主函數

 

8.8.2飛行模式設置

 

8.8.3導航信息的設置

 

8.8.4水平導航控制

 

8.8.5垂直導航控制

 

8.8.6姿態控制

 

8.9數據鏈通信

 

8.9.1通信協議棧

 

8.9.2應用接口層

 

8.9.3傳輸協議層

 

8.9.4硬件接口層

 

小結

 

 

第9章四旋翼控制器參數整定

 

9.1姿態控制器整定

 

9.1.1數學模型簡化

 

9.1.2反饋控制器參數整定

 

9.1.3前饋控制器參數整定

 

9.1.4前置濾波器對控制參數的影響

 

9.2水平導航控制器整定

 

9.2.1數學模型簡化

 

9.2.2反饋控制器參數整定

 

9.2.3前饋控制器

 

9.2.4前置濾波器

 

9.3垂直方向控制器整定

 

9.3.1數學模型簡化

 

9.3.2反饋控制器參數整定

 

9.3.3前饋控制器

 

9.3.4前置濾波器

 

9.4影響控制器整定的其他因素

 

9.4.1數字化控制器

 

9.4.2多入多出系統

 

9.4.3控制器中的限幅

 

9.4.4噪聲的影響

 

9.4.5控制器參數整定的驗證

 

小結

 

 

第10章四旋翼無人機實例

 

10.1四旋翼無人機硬件選型和組裝

 

10.1.1硬件選型

 

10.1.2硬件組裝

 

10.2設定機型

 

10.3設定機身配置文件

 

10.3.1修改機身配置文件中的遙控器設定

 

10.3.2設置四旋翼機型佈局

 

10.3.3設定IMU傳感器板的校準信息

 

10.4創建遙控器配置文件

 

10.5靜態實驗

 

10.6實際飛行實驗

 

小結

 

 

附錄A氣壓高度測量

 

附錄BPaparazzi四旋翼無人機的代碼樹

 

附錄C乘性擴展卡爾曼濾波

 

附錄DMATLAB代碼

 

附錄E無人機航空攝影

 

參考文獻