智能机器人控制系统设计教程——多旋翼无人机系统

《智能机器人控制系统设计教程》是根据"自动化专业工程教育专业认证"等需求而编写，旨在提高学生在机器人控制系统设计方面的能力，进而培养学生解决复杂工程问题的能力。《智能机器人控制系统设计教程》以多旋翼飞行器为蓝本，全书共分3部分，由13章组成。其中，基础篇由第1~3章组成，主要讲解机器人控制系统涉及到的数学基础及其基本要点。设计篇包括第4~9章，共6章，详细介绍了多旋翼飞行器的运动学方程、动力系统建模、姿态测量与估计、控制器设计等几个方面。第10~13章为实践篇，以Pixhawk飞控系统为例，从控制硬件设计、软件设计、仿真与实验三方面进行详细的阐述，使读者能够快速掌握多旋翼飞行器控制系统的开发思路、设计步骤及解决方案等。

基础篇
第1章 智能机器人绪论 3
1.1 定义 3
1.2 历史 4
1.3 分类和应用 9
1.4 近年来的研究和发展 17
1.5 未来研究和发展 19
1.6 习题 21
第2章 坐标变换的原理和方法 23
2.1 矢量运算与矩阵运算的关系 23
2.2 坐标变换 24
2.2.1 坐标变换矩阵 24
2.2.2 坐标变换矩阵的传递特性 25
2.2.3 基元变换矩阵 26
2.2.4 坐标变换的一般情况 26
2.2.5 由两矢量的分量列阵求坐标变换矩阵 29
2.3 坐标系旋转的效应 30
2.3.1 在旋转坐标系中矢量的导数 30
2.3.2 变换矩阵的变化率 31
2.4 习题 34
第3章 四元数理论及应用 35
3.1 四元数的定义和性质 35
3.2 以四元数表示刚体的有限转动 37
3.3 用四元数表示坐标系的旋转 39
3.4 由四元数构成坐标变换矩阵 40
3.5 三个或更多坐标系的关系 41
3.6 以四元数表示的运动学方程 44
3.7 习题 47
设计篇
第4章 飞行机器人的运动学方程 51
4.1 基本假设与速度三角形 51
4.2 坐标系和运动变量定义 52
4.3 质心运动方程 55
4.3.1 一般形式 55
4.3.2 在地理坐标系中的运动方程 59
4.3.3 在机体坐标系中的运动方程 59
4.4 旋转运动 59
4.4.1 旋转的运动学方程 59
4.4.2 姿态表示和运动学方程的多种方式讨论 65
4.5 习题 65
第5章 飞行机器人的动力系统建模 67
5.1 飞行机器人气动布局 67
5.2 总体描述 68
5.2.1 动力系统 68
5.2.2 求解悬停时间 72
5.3 飞行机器人动力系统模型 73
5.3.1 螺旋桨模型 73
5.3.2 电机模型 75
5.3.3 电调模型 76
5.3.4 电池模型 77
5.4 动力系统性能计算与实验验证 77
5.5 习题 82
第6章 飞行机器人姿态测量 83
6.1 空气动力学参数测量 83
6.1.1 飞行高度测量 83
6.1.2 空速测量 84
6.1.3 俯仰角、滚转角和偏航角的测量 85
6.2 飞行机器人惯性量测量 87
6.2.1 加速度测量 87
6.2.2 角速度测量 91
6.3 飞行机器人方位角测量 93
6.3.1 航向陀螺仪测量 93
6.3.2 陀螺磁罗盘测量 94
6.4 飞行机器人位置测量 95
6.4.1 飞行机器人的定位 95
6.4.2 无线电测距 96
6.5 习题 97
第7章 飞行机器人姿态估计 99
7.1 空气动力学参数的估计 99
7.2 惯性量、方向角、位置估计 102
7.3 位姿估计器设计 108
7.4 习题 111
第8章 飞行机器人PID 控制器设计 113
8.1 PID 的形式及其表示法 113
8.1.1 模拟PID 控制 113
8.1.2 数字PID 控制 114
8.2 PID 控制的局限 117
8.3 PID 算法的改进 121
8.4 串级PID 控制器 125
8.5 飞行机器人PID 参数调试 126
8.5.1 PID 控制中各参数的作用 126
8.5.2 PID 参数调试的模型建立 127
8.5.3 PID 参数的调试步骤 128
8.6 习题 129
第9章 飞行机器人悬停稳定控制 131
9.1 飞行机器人悬停稳定控制算法设计 131
9.1.1 PID 算法 131
9.1.2 LQG 算法 133
9.2 飞行机器人悬停稳定控制的实验平台 137
9.2.1 飞行机器人悬停实时控制系统 137
9.2.2 飞行机器人悬停稳定控制实验结果 141
9.3 习题 147
实践篇
第10章 飞行机器人控制器硬件系统设计 151
10.1 控制器需求分析 151
10.2 整体设计 152
10.3 主控系统设计 153
10.4 电源管理系统设计 158
10.4.1 整体设计 158
10.4.2 主控系统电源设计 162
10.4.3 USB 电源设计 162
10.4.4 动力系统电源设计 162
10.4.5 备用电源设计 163
10.5 姿态测量系统设计 164
10.5.1 俯仰、偏航、翻滚角度测量设计 164
10.5.2 速度、加速度测量设计 165
10.5.3 位置测量设计 166
10.6 通信系统设计 167
10.7 Pixhawk 硬件设计实例 171
10.8 习题 176
第11章 飞行机器人控制器软件系统设计 177
11.1 软件系统架构与NuttX 实时系统 177
11.1.1 整体架构 177
11.1.2 NuttX 系统设计 177
11.1.3 μORB 对象模型设计 180
11.2 飞行控制栈设计与实现 183
11.3 飞行控制算法设计与实现 185
11.3.1 PID 速度位置双闭环控制设计与实现 185
11.3.2 自抗扰算法设计与实现 187
11.3.3 模糊自适应姿态控制算法设计与实现 188
11.4 Pixhawk 软件设计实例 188
11.5 习题 191
第12章 飞行机器人仿真 193
12.1 基础仿真 193
12.1.1 环境搭建 193
12.1.2 MATLAB 飞行机器人仿真平台 210
12.2 Gazebo 仿真 212
12.3 HITL 仿真 215
12.4 ROS 接口 218
12.5 习题 221
第13章 飞行机器人HMI 系统设计实例 223
13.1 功能设计 223
13.1.1 用户操作层的设计 224
13.1.2 数据通信层的设计 229
13.1.3 数据管理层的设计 230
13.2 架构及编程语言 230
13.3 软件开发与调试 231
13.3.1 用户操作层开发与调试 231
13.3.2 数据通信模块开发与调试 248
13.3.3 数据管理模块开发与调试 249
13.4 系统联调与优化 251
13.5 习题 254
参考文献 255
附录 参考答案 257
第1章 参考答案 257
第2章 参考答案 258
第3章 参考答案 259
第4章 参考答案 260
第5章 参考答案 261
第6章 参考答案 262
第7章 参考答案 263
第8章 参考答案 264
第9章 参考答案 265
第10章 参考答案 266
第11章 参考答案 267
第12章 参考答案 268
第13章 参考答案 269