四旋翼飛行器開發與應用實訓案例集萃

丁曉青：

主要擔任電子電工實驗室及工程教育高級實驗室的實驗教學工作，參與完成了多項實驗教改項目及實驗指導書的編寫。
曾從事多年大橋、隧道及高速公路的收費及監控系統工程項目，參與完成了多項上海市重大工程項目。
從2003年起至今擔任全國大學生電子設計競賽的指導教師，有較豐富的競賽培訓的經驗，
多次被評為全國大學生電子設計競賽上海賽區“優秀指導教師”。

王瑞：

主要從事物聯網技術、嵌入式系統開發、大學生創新能力訓練等相關實踐教學工作。
主持國家自然科學基金項目2項。
曾主持物聯網技術相關課題與項目開發10餘項。
近九年來一直作為指導教師參與全國電子設計競賽、物聯網創新設計大賽、
中國研究生電子設計競賽等工作，所指導的學生多次獲得各類科創競賽大獎，有著豐富的競賽培訓實戰經驗。

目錄
第1章引言
1．1四旋翼飛行器
1．2國內外研究現狀
1．3四旋翼飛行器的典型應用

第2章常用模塊
2．1運動傳感器
2．1．1MPU6050六軸傳感器
2．1．2MPU9150九軸傳感器
2．1．3MPU9250九軸傳感器
2．2超聲波傳感器
2．2．1超聲波傳感器US100
2．2．2超聲波傳感器KS109
2．3光流傳感器
2．3．1CJMCU110
2．3．2PX4Flow
2．3．3PWM3901
2．42．4G無線通信模塊NRF24L01
2．5飛行控制芯片
2．6舵機
2．6．1舵機的工作原理
2．6．2SG90舵機
2．7電源系統
2．8電調驅動
2．9電機選型
2．10分壓板
2．11四旋翼電池、電機、螺旋槳搭配選型
2．12圖像處理板模塊

第3章四旋翼飛行器的原理
3．1基本原理
3．2四旋翼飛行器的6個基本飛行動作
3．2．1升降運動
3．2．2俯仰運動
3．2．3橫滾運動
3．2．4偏航(自旋)運動
3．3姿態解算
3．3．1姿態表示
3．3．2數據濾波
3．3．3數據融合
3．3．4姿態解算
3．3．5PID平衡算法

第4章四旋翼飛行器的調試平臺
4．1四旋翼飛行器調試平臺的總體設計
4．2調試平臺的硬件設計
4．2．1地面站
4．2．2飛行控制板
4．2．3四旋翼飛行器的調試原則
4．3調試平臺軟件設計
4．3．1地面站軟件設計
4．3．2上位機軟件設計

第5章四旋翼飛行器的飛行控制
5．1飛行控制板控制系統總體框架
5．2所用器件
5．3四旋翼飛行器的組裝
5．3．1飛行器的整體組成
5．3．2飛行器的組裝步驟
5．4地面站
5．5飛行控制板的功能
5．6軟件結構
5．6．1飛行控制板軟件結構
5．6．2通信數據幀格式
5．7光流傳感器
5．7．1PX4Flow光流傳感器
5．7．2Qgroundcontrol軟件的使用
5．7．3PX4Flow光流調試
5．7．4PX4Flow光流與四旋翼飛行器的硬件連接
5．7．5PX4Flow光流與四旋翼飛行器的軟件連接
5．8飛行器及圖像傳感器調試
5．8．1圖像傳輸
5．8．2OpenWrt的使用
5．9電源電壓測量
5．9．1模數轉換器概述
5．9．2電源電壓測量的實現
5．9．3電源分壓模塊的測試
5．10舵機
5．10．1舵機雲台的硬件搭建
5．10．2舵機雲台的軟件編寫
5．11四旋翼飛行器的遙控實現
5．11．1手機終端控制需求分析
5．11．2手機終端控制軟件的設計方案
5．11．3軟件工作的整個流程設計
5．11．4Android傳感器的種類
5．11．5重力感應的遙控方式
5．11．6重力感應遙控的實現
5．11．7飛行高度控制的實現
5．12手機終端與飛行控制板的通信
5．12．1概述
5．12．2數據通信模塊
5．12．3手機終端界面設計
5．12．4WiFi實時視頻模塊

第6章基於Kinect的四旋翼飛行器
6．1深度攝像頭Kinect介紹
6．1．1概述
6．1．2Kinect數據形式
6．2四旋翼飛行器控制系統
6．2．1控制系統總體設計
6．2．2姿態控制
6．2．3姿態解算
6．2．4位姿解算
6．2．5高度控制
6．2．6定點懸停
6．2．7位移控制
6．3Kinect視角下四旋翼飛行器的定位及追蹤
6．3．1四旋翼飛行器的識別及追蹤
6．3．2Kinect視角中其他物體的識別
6．3．3Kinect視角中物體的位置轉換關系
6．4Kinect視角下四旋翼飛行器的路徑規劃及控制
6．4．1自主鑽窗
6．4．2手勢控制
6．5電腦上位機程序
6．5．1上位機主要功能
6．5．2上位機程序實現

第7章送貨無人機
7．1無人機硬件系統設計
7．1．1硬件總體框架
7．1．2調試平臺的硬件設計
7．1．3飛控部分硬件設計
7．2無人機軟件系統設計
7．2．1調試平臺軟件設計
7．2．2地勤管理平臺軟件設計
7．3地勤管理軟件平臺各功能具體介紹
7．3．1功能選擇界面
7．3．2用戶數據管理
7．3．3貨物分揀界面
7．3．4分揀記錄查詢
7．3．5修改賬戶密碼
7．4飛控部分軟件設計
7．4．1控制系統
7．4．2圖像處理系統
7．4．3數據傳輸設計

第8章無人機救災指揮系統
8．1硬件系統設計
8．1．1硬件總體結構
8．1．2無人機選型
8．1．3圖像及音頻模塊
8．1．4通信模塊
8．1．5飛行控制板
8．2PC測繪端設計
8．2．1系統總體設計
8．2．2視頻接口程序
8．2．3數據接口程序
8．2．4實時視頻拼接程序
8．2．5本地視頻拼接
8．2．6拼接圖形顯示
8．2．7目標救援點識別
8．3安卓地面站端設計
8．3．1手機軟件總體設計
8．3．2數據處理程序
8．3．3飛行數據界面
8．3．4編輯器界面
8．4樹莓派語音合成
8．5人臉識別設計
8．5．1人臉檢測模塊
8．5．2面部特徵點定位模塊
8．5．3人臉特徵提取與比對模塊
8．6數據通信設計
8．6．1PC端與手機地面站通信協議
8．6．2手機與無人機的通信協議
8．6．3無人機與上位機視音頻傳輸
8．6．4樹莓派與上位機信號傳輸
8．6．5手機與上位機信號傳輸

第9章基於STM32F4飛控板製作
9．1飛控板硬件設計
9．1．1硬件總體設計
9．1．2器件選型
9．1．3硬件電路設計
9．1．4PCB設計圖
9．2飛控板軟件設計
9．2．1總體軟件設計
9．2．2軟件程序設計
9．2．3程序移植對接

第10章“空中交警”——基於無人機的應急交通指揮系統
10．1概述
10．2系統方案
10．2．1硬件方案
10．2．2通信方案
10．2．3功能方案
10．3硬件框架
10．3．1總體硬件框架
10．3．2硬件模塊選型
10．4軟件流程
10．4．1機器人操作系統
10．4．2飛控程序
10．4．3避障
10．4．4LED控制
10．4．5AP無線熱點
10．4．6手機App
10．4．7視頻傳輸
10．4．8數據通信協議

第11章四旋翼自主飛行器探測跟蹤系統
11．1系統方案
11．1．1定點懸停方案
11．1．2懸停於小車上方
11．2系統理論分析與計算
11．2．1圖像處理
11．2．2小車與飛行器的距離感應
11．3電路與程序設計
11．3．1系統組成
11．3．2原理框圖與電路原理圖
11．4測試步驟

第12章滅火飛行器
12．1概述
12．2系統方案
12．2．1定點懸停方案的論證與選擇
12．2．2尋找模擬火源方案的論證與選擇
12．2．3定高功能的論證與選擇
12．2．4巡航功能的論證與選擇
12．2．5滅火方案的論證與選擇
12．2．6穿越方案的論證與選擇
12．3系統理論分析與計算
12．3．1圖像處理
12．3．2定位懸停處理
12．3．3高度數據修正
12．4電路與程序設計
12．4．1系統組成
12．4．2原理框圖與電路原理圖
12．4．3系統軟件與流程圖
12．5系統測試
12．5．1各模塊測試
12．5．2飛行任務測試

第13章四旋翼目標識別飛行器
13．1四旋翼目標識別飛行器概述
13．2四旋翼飛行器的系統組成
13．2．1四旋翼飛行器的程序設計
13．2．2主要模塊
13．3軟件設計
13．3．1系統方案
13．3．2PID控制器
13．3．3圖像識別
13．3．4自動巡航
13．3．5一鍵起飛與降落
13．3．6斷電保護
13．4調試方案

第14章激光打靶四旋翼飛行器
14．1概述
14．2設計與實施方案
14．2．1室內定位方案選擇
14．2．2圖像識別方案
14．2．3飛控方案
14．2．4地面站系統選擇
14．2．5NRF無線通信模塊
14．2．6開發平臺
14．3程序設計
14．3．1飛控部分
14．3．2姿態控制
14．3．3圖傳板通信
14．3．4PID調節與濾波
14．3．5圖傳
14．3．6地面站
14．4系統測試
14．4．1圖傳測試
14．4．2識別結果通信測試
14．4．3系統測試

第15章自主跟蹤四旋翼飛行器
15．1自主跟蹤四旋翼飛行器概述及發展現狀
15．1．1概述
15．1．2發展現狀
15．2硬件系統設計
15．2．1機械設計
15．2．2傳感器
15．2．3通信模塊
15．2．4飛行控制板設計
15．2．5系統板設計
15．3飛行控制板軟件系統設計
15．3．1系統總體設計
15．3．2硬件接口程序
15．3．3位姿解算
15．3．4飛行穩定算法
15．3．5數據通信
15．4系統板軟件系統設計
15．4．1軟件系統總體設計
15．4．2交叉編譯環境搭建
15．4．3系統板Uboot
15．4．4Ubuntu操作系統
15．4．5ROS次級操作系統 
15．4．6機器視覺識別
15．4．7飛行數據及運動規劃

第16章無人機的形狀識別和數字識別
16．1開發平臺
16．1．1飛控板開發調試平臺
16．1．2遙控板開發調試平臺
16．1．3電路板設計平臺
16．1．43D打印建模軟件
16．1．53D打印切片軟件
16．2設計目標與技術難點
16．2．1設計目標
16．2．2技術難點
16．3實現原理
16．3．1小型無人機與穿越機的區別
16．3．2系統方案
16．3．3傳感器選型
16．4飛行控制板
16．4．1硬件設計
16．4．2飛控軟件
16．4．3飛控調試註意事項
16．5遙控器
16．5．1硬件製作
16．5．2軟件編程
16．6OpenMV視覺識別
16．6．1硬件設計
16．6．2軟件部分
16．7通信協議
16．7．1遙控器發送
16．7．2形狀識別
16．7．3數字識別
16．83D打印機架
16．8．1空心杯小型飛行器機架
16．8．2穿越機機架
16．8．3遙控器外殼

第17章微型無人機的製作
17．1飛控板硬件設計
17．1．1功能需求分析
17．1．2硬件總體設計
17．1．3器件選型
17．1．4硬件電路設計
17．1．5PCB佈局排版及註意事項
17．2飛控板軟件設計
17．2．1集成開發環境(IDE)的選擇
17．2．2嵌入式操作系統的選擇
17．2．3TM4C1294程序框架
17．2．4姿態解算和PID算法流程
17．2．5基於四元數的姿態解求解互補濾波算法
17．2．6角度環PID和角速度環PID調節函數
17．2．7Z軸高度環PID的調節函數
17．2．8微型四旋翼飛行器姿態控制
17．2．9遙控器協議
17．3飛控板系統調試
17．3．1飛行器系統開發過程
17．3．2微型四旋翼飛行器的PID調試
17．3．3調試過程中可能遇到的問題
17．4遙控器板硬件設計
17．4．1總體硬件設計
17．4．2器件選型
17．4．3硬件電路設計
17．4．4PCB佈局排版及註意事項
17．5遙控器板軟件設計
17．5．1總體軟件設計
17．5．2軟件程序設計
17．5．3串口屏軟件設計
17．6遙控器板功能調試
17．6．1預期功能
17．6．2調試過程與問題
17．7圖像處理板硬件設計
17．7．1控制系統整體設計
17．7．2圖像處理板電路設計
17．7．3硬件電路PCB佈局
17．8圖像處理板軟件設計
17．8．1固件燒錄及開發環境
17．8．2軟件主流程
17．8．3圖像處理端Socket程序設計
17．8．4串口收發程序設計
17．8．5激光筆蜂鳴器驅動程序設計
17．8．6圖像識別程序設計
17．9圖像處理手機端軟件設計
17．9．1安卓開發環境搭建
17．9．2手機App需求分析
17．9．3手機控制流程設計
17．9．4人機交互界面設計
17．9．5手機端Socket通信
17．9．6重力傳感器控制
17．9．7高度控制
17．9．8按鍵控制
17．10圖像處理板系統調試

第18章巡線機器人
18．1方案論證
18．1．1硬件設計方案選擇
18．1．2軟件設計方案選擇
18．1．3主要器件選型 
18．1．4系統原理框圖
18．2理論分析與計算
18．2．1FreeRTOS操作系統的使用
18．2．2串級PID控制
18．2．3定高數據融合
18．2．4飛行器位置調節
18．2．5飛控板與OpenMV通信協議
18．2．6提高圖片識別率的措施
18．3電路與結構件設計
18．3．1硬件電路設計
18．3．23D打印件裝配
18．3．3電路模塊裝配

18．4軟件設計流程