一本书看懂多旋翼无人机

1、本书从飞行原理、硬件组装及软件系统开发几个方面，系统介绍了多旋翼无人机的开发设计理论和组装设计方法，内容由浅入深，可帮助读者完成从入门到进阶的过程。 2、内容全面，涵盖了多旋翼无人机设计的各个方面，可参考性强。 3、本书内容基于作者自行设计制作多旋翼无人机的经验，操作性强。 4、提供了控制系统设计的源代码，并做了修改与简化，更利于读者参考学习。

本书以四旋翼无人机为例，讲解多旋翼无人机的飞行理论与控制体系，从螺旋桨、电动机、电调、动力电池、机架等角度介绍硬件结构与飞行原理。通过开源自驾仪Pixhawk和开源飞行控制程序PX4介绍了全自动多旋翼无人机控制系统的整个实现过程。内容涵盖了从硬件组装清单到飞控程序下载编译的整个过程，并对如何使用地面站程序对飞控进行航前校准和参数设定做了说明。 本书将飞行理论与设计实现相互结合，通过对PX4飞控程序的分析、讲解、修改和完善，梳理了多旋翼无人机的相关知识。包括：飞控程序的架构设计、开源操作系统、驱动程序、状态估计、控制算法、自主导航系统等，以及如何通过对多旋翼无人机的动力系统建模实现半物理仿真和趣味航线飞行等。 本书可为从事无人机设计制作的技术人员提供帮助，可供无人机爱好者自学，还可供大学院校相关专业师生学习参考。

李德强，男，1983年出生，山东淄博人，毕业于武汉轻工大学。 沈阳芯魂科技有限公司联合创始人之一、技术合伙人。 2013年自主研发了LidqOS操作系统和DolphinOS操作系统，可分别应用于个人电脑和嵌入式单片机。 2016年研发了一套四旋翼无人机，自行设计所有控制系统和飞行算法，实现了无人机的自主飞行。 2017年创办了“问渠网”“编程外星人”公众号及其附属俱乐部。俱乐部现有近千位成员，均为无人机相关编程技术爱好者。

第1章多旋翼无人机简介
1.1多旋翼机发展简史2
1.1.1多旋翼机的起源2
1.1.2逐渐复苏4
1.1.3多旋翼机的春天5
1.2无人机与航空模型6
1.2.1机型分类6
1.2.2航空模型飞机10
1.2.3全自动无人机10
1.3开源飞控简介11
1.3.1Arduino飞控12
1.3.2Crazyflie迷你飞行器12
1.3.3APM飞控12
1.3.4Pixhawk与PX413
第2章飞行原理
2.1基本姿态15
2.1.1动力来源15
2.1.2垂向运动17
2.1.3飞行姿态18
2.2飞行原理22
2.2.1滚转角与定高飞行22
2.2.2滚转角与水平运动23
2.3十字形与叉形四旋翼26
2.3.1运动方向与姿态26
2.3.2混合控制方法27
第3章硬件结构设计
3.1螺旋桨30
3.1.1制作材料30
3.1.2直径、螺距与弦长30
3.1.3多叶螺旋桨31
3.1.4静平衡与动平衡32
3.2有刷电机与无刷电机32
3.2.1电磁铁转动原理32
3.2.2有刷电机34
3.2.3无刷电机35
3.2.4相关参数37
3.3电调与PWM信号37
3.3.1电调37
3.3.2PWM信号38
3.3.3直流有刷电调39
3.3.4直流无刷电调39
3.3.5电调安全保护机制40
3.3.6优选和最小行程校准41
3.4动力电池41
3.4.1电池电压41
3.4.2电池容量与放电倍率43
3.5遥控器44
3.5.1遥控器与接收机44
3.5.2美国手与日本手45
3.6机架设计46
3.6.1选材46
3.6.2布局47
3.6.3轴距48
3.6.4涵道49
3.6.5脚架49
第4章自驾仪与硬件组装
4.1Pixhawk自驾仪51
4.1.1概览51
4.1.2接口说明53
4.2硬件清单与组装说明57
4.2.1硬件清单57
4.2.2组装说明58
第5章开源飞控程序
5.1飞控程序下载与编译64
5.1.1PX4飞控程序下载64
5.1.2Fedroa编译环境搭建68
5.1.3Ubuntu编译环境搭建71
5.1.4PX4飞控程序编译与烧写73
5.1.5QGroundControl下载与编译75
5.2航前准备与航前校准77
5.2.1航前准备78
5.2.2航前校准84
5.3飞行模式86
5.3.1Stabilized增稳模式87
5.3.2Manual手动模式87
5.3.3Altitude高度模式87
5.3.4Position位置模式88
5.3.5Mission任务模式89
5.3.6Hold定点模式89
5.3.7Takeoff/Land起飞降落模式90
5.3.8Return返航模式90
5.3.9Acro/Rattitude特技姿态模式91
5.3.10Offboard离线模式92
5.3.11FollowMe跟随模式92
第6章飞控架构与通信协议
6.1架构总览94
6.1.1数据存储94
6.1.2内部通信总线95
6.1.3外部通信总线95
6.1.4驱动程序96
6.1.5飞行控制器97
6.2源代码结构设计98
6.2.1编译目标目录（build）99
6.2.2编译配置目录（cmake）101
6.2.3外部通信接口（Mavlink）109
6.2.4内部通信接口（msg）116
6.2.5运行平台（platforms）120
6.2.6ROM文件系统（ROMFS）124
6.2.7功能源代码（src）127
6.2.8其他工具（Tools）130
6.3uORB130
6.3.1基本通信原理130
6.3.2uORB设计与实现132
6.3.3uORB使用方法145
6.4Mavlink147
6.4.1整体功能设计147
6.4.2Mavlink主程序148
6.4.3MavlinkStream发送器154
6.4.4MavlinkReceiver接收器159
第7章开源操作系统NuttX
7.1NuttX概述175
7.1.1NuttX简介175
7.1.2系统特性175
7.1.3支持的平台178
7.2用户接口183
7.2.1任务控制接口183
7.2.2任务调度接口188
7.2.3调度控制接口190
7.2.4消息队列接口192
7.2.5信号量接口193
7.2.6环境变量196
7.2.7文件系统接口197
7.2.8网络接口197
7.3NuttShell（NSH）199
7.3.1概览199
7.3.2常用命令201
第8章进程、线程及工作队列
8.1任务调度211
8.1.1并行任务211
8.1.2多级反馈队列212
8.1.3抢占式优先级调度213
8.2多进程214
8.2.1什么是进程214
8.2.2创建进程216
8.3多线程224
8.3.1什么是线程224
8.3.2创建线程225
8.3.3线程与进程的区别230
8.4工作队列232
8.4.1什么是工作队列232
8.4.2加入工作队列235
8.5信号量与锁237
8.5.1互斥信号量238
8.5.2同步信号量244
8.5.3互斥锁与条件变量245
第9章驱动程序
9.1系统级驱动程序251
9.1.1通用接口函数251
9.1.2注册驱动程序255
9.1.3编写驱动程序258
9.1.4LED灯驱动程序266
9.2SPI驱动程序268
9.2.1SPI总线协议268
9.2.2SPI管脚配置269
9.2.3SPI驱动类275
9.2.4SPI气压计驱动程序279
9.3I2C驱动程序287
9.3.1I2C总线协议287
9.3.2I2C驱动类288
9.4应用级驱动程序289
9.4.1准备工作289
9.4.2实现驱动程序292
第10章遥控器协议
10.1PWM297
10.1.1PWM信号使用297
10.1.2PWM信号采集298
10.2PPM302
10.2.1PPM信号使用302
10.2.2PPM信号采集303
10.3S.BUS310
10.3.1S.BUS接口配置310
10.3.2S.BUS协议格式312
10.3.3S.BUS协议解析313
第11章飞控状态与命令执行
11.1主状态与切换319
11.1.1主状态定义与切换条件319
11.1.2主状态切换命令与响应325
11.2导航状态与控制模式337
11.2.1导航状态定义与切换条件337
11.2.2控制模式及其开关条件343
11.3飞控锁定与解锁347
11.3.1飞控锁定保护347
11.3.2锁定与解锁状态347
11.4其他功能350
11.4.1起飞点设置350
11.4.2航灯设置354
11.4.3安全开关356
第12章状态估计
12.1传感器校准360
12.1.1加速度计360
12.1.2陀螺仪366
12.1.3磁罗盘369
12.1.4水平仪372
12.2卡尔曼滤波375
12.2.1卡尔曼滤波原理375
12.2.2公式推导377
12.3姿态解算与速度位置估计380
12.3.1坐标系变换380
12.3.2姿态解算383
12.3.3速度位置估计385
第13章飞行控制方法
13.1反馈、PID、串级控制389
13.1.1反馈控制389
13.1.2PID控制391
13.1.3串级控制392
13.2姿态控制394
13.2.1姿态控制原理394
13.2.2姿态控制过程395
13.3位置控制400
13.3.1位置控制原理400
13.3.2位置控制过程403
13.4混合控制器408
13.4.1多旋翼混控原理408
13.4.2混控配置文件413
13.4.3PWM输出417
第14章航线规划全自动飞行
14.1导航基本原理425
14.1.1导航目标425
14.1.2搜索算法426
14.1.3预设航线427
14.2导航模块设计428
14.2.1导航引擎428
14.2.2自动任务设计433
14.2.3自动起飞与降落438
14.2.4自动航迹点任务438
14.2.5自动返航440
14.2.6目标跟随与其他导航模式443
第15章动力学建模及半物理仿真
15.1动力学建模445
15.1.1动力模型445
15.1.2受力运动446
15.2半物理仿真448
15.2.1使用jMavSim仿真程序448
15.2.2自行编写仿真程序450
第16章外部控制与趣味航线
16.1外部控制系统458
16.1.1方案设计458
16.1.2功能实现460
16.2趣味航线规划470
16.2.1等边三角形470
16.2.2圆形473
16.2.3三叶草474
16.2.4阿基米德螺旋线476
参考文献478