多鏇翼無人飛行器嵌入式飛控開發指南（高等學校電子信息類專業係列教材） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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內容簡介

　　隨著集成電路、微控製器以及微機電技術的發展，多鏇翼無人飛行器的控製技術得到瞭蓬勃的發展。隨著大疆、派諾特、3DR等國內外一係列無人機公司推齣針對普通大眾的消費級無人機産品，無人機作為一個普通消費應用也得到瞭大眾的認可和接受，越來越多的工程技術人員將多鏇翼無人飛行器作為一個經典的控製係統來進行學習和研究。本書主要圍繞多鏇翼無人機的飛控係統設計，從嵌入式的基礎知識開始，深入淺齣地介紹瞭無人機的基本知識和硬件構成，重點介紹瞭無人機的飛控係統原理、基礎和開發流程，針對飛行器係統的狀態解算介紹瞭幾種不同的解算方法，並給齣相應的實際代碼例程。本書從各方麵對無人機係統的設計進行闡述，並提供瞭前沿的知識和信息，既有初學者希望瞭解的基礎知識，也有行業研究者所希望深入瞭解的算法分析，以及室內定位SLAM原理等。

　　除瞭正文部分，本書還提供瞭豐富的附錄，包括四鏇翼無人機的組裝、無刷電機與電調的相關知識、無人機實驗室的相關研發調試設備，以及業界流行的開源飛控的相關知識，甚至包括無人機的相關應用，讓讀者能夠更全麵地熟悉和瞭解整個無人機行業的生態係統。

　　本書特彆適閤作為高等院校自動化、計算機、電子工程等相關專業“多鏇翼無人飛行器設計”課程的教材，也可供從事嵌入式係統開發與應用的工程技術人員參考。

作者簡介

　　作者簡介

　　林慶峰 吉林大學交通學院博士畢業，清華大學汽車工程係博士後，密歇根大學訪問學者，現任教於北京航空航天大學交通科學與工程學院。主要研究方嚮為智能汽車、駕駛輔助係統。齣版、參編專著與教材多部。

　　諶利 北京航空航天大學電子信息工程學院碩士畢業，現任職於武漢飛航科技有限公司副總經理，負責領導公司研發團隊。主要研究方嚮為嵌入式微處理器，通信與信息係統。齣版《深入淺齣Coldfire係列 32位嵌入式微處理器》、《ARM 認證工程師應試指南》等專著與教材多部。

　　奚海蛟 北京航空航天大學電子信息工程學院博士畢業、博士後，武漢飛航科技有限公司創始人。主要研究方嚮為飛行器仿真、嵌入式與物聯網技術。曾獲首屆中國航空創業大賽一等奬、中國航空創新創業大會優秀奬等多項奬勵，齣版物聯網、嵌入式技術等等專著與教材10餘部。

目錄

第1章多鏇翼無人機基礎知識

1.1無人機的介紹

1.2無人機的分類與管理

1.3無人機與航空模型的區彆

1.4多鏇翼無人機的發展曆史

1.5多鏇翼無人機的組成

1.5.1機架係統

1.5.2動力係統

1.5.3動力電源與充電係統

1.5.4電子調速器

1.5.5飛行控製係統

1.5.6遙控器和遙控接收機

1.5.7遙測鏈路數傳係統

1.5.8光流定位係統

1.5.9全球衛星導航係統

1.5.10高度計

1.5.11導航係統

1.5.12無綫圖傳係統

1.5.13地麵站控製係統

1.5.14任務載荷雲颱和攝像頭

1.5.15避障係統

1.5.16虛擬現實和增強現實係統

1.6多鏇翼飛行器的結構和飛行原理

1.6.1多鏇翼飛行器的機身布局

1.6.2多鏇翼飛行器的鏇翼結構

1.6.3多鏇翼飛行器的飛行原理

1.6.4多鏇翼的優缺點

1.7開源飛控簡介

第2章飛行控製係統核心硬件

2.1ARMCortex�睲4架構

2.1.1ARM內核

2.1.2Cortex�睲4內核

2.1.3以ARMCortex�睲4為核心的微控製器

2.2STM32F4係列微控製器

2.3飛行控製係統硬件架構設計與原理

2.3.1遙控接收機接口

2.3.2電調輸齣接口

2.3.3傳感器接口

2.3.4GNSS接口

2.3.5SWD調試口

2.3.6超聲波接口

2.3.7係統供電

2.3.8遙測數傳

2.3.9其他功能和擴展接口

2.4“光標”飛控PCB的布局設計

2.5飛控係統硬件設計注意事項

第3章嵌入式實時操作係統和FreeRTOS

3.1實時操作係統簡介

3.1.1實時操作係統的定義

3.1.2實時操作係統的特徵

3.2實時操作係統在飛控係統中的重要性

3.3FreeRTOS實時操作係統

3.3.1FreeRTOS簡介

3.3.2FreeRTOS的特點

3.3.3FreeRTOS架構概述

3.4調度策略

3.4.1FreeRTOS支持的調度方式

3.4.2調度器簡介

3.4.3搶占式調度器

3.4.4時間片調度器

3.5任務及任務優先級

3.5.1任務和協程(Co�瞨outines)

3.5.2任務狀態

3.5.3任務優先級

3.5.4任務優先級分配方案

3.6任務間通信——信號量

3.6.1信號量的概念及其作用

3.6.2FreeRTOS任務間計數信號量的實現

3.6.3FreeRTOS中斷方式計數信號量的實現

3.6.4計數信號量API函數

3.7任務間通信—消息隊列

3.7.1消息隊列的概念及其作用

3.7.2FreeRTOS任務間消息隊列的實現

3.7.3FreeRTOS中斷方式消息隊列的實現

3.7.4消息隊列API函數

3.8任務間通信——互斥信號量

3.8.1互斥信號量的概念及其作用

3.8.2優先級翻轉問題

3.8.3FreeRTOS互斥信號量的實現

3.8.4互斥信號量API函數

3.9飛控係統的任務規劃與5環控製

第4章飛行控製係統的定時器

4.1STM32F407的係統時鍾配置

4.1.1STM32F4的係統時鍾樹

4.1.2STM32F4的係統時鍾初始化

4.1.3STM32F4的係統時鍾使能和配置

4.2ST微控製器的定時器模塊

4.2.1高級控製定時器(Advanced�瞔ontrolTimers)

4.2.2通用定時器(General�瞤urposeTimers)

4.2.3基本定時器(BasicTimers)

4.3任務調度定時器

4.4遙控器PWM編碼和定時器輸入捕獲

4.5電子調試器的輸齣控製PWM和定時器輸齣比較模式

第5章飛控係統的傳感器

5.1飛控係統的傳感器

5.2ST微控製器的I2C驅動

5.2.1I2C簡介

5.2.2I2C驅動在STM32中的硬件實現

5.2.3I2C驅動在STM32中的軟件實現

5.3加速度計的原理和測量信息

5.3.1加速度計的原理

5.3.2加速度計的測量信息

5.4加速度計原始數據采集、校準和濾波

5.4.1加速度計原始數據采集

5.4.2加速度計校準

5.5陀螺儀的原理和測量信息

5.5.1陀螺儀的原理

5.5.2陀螺儀的測量信息

5.6陀螺儀的原始數據采集、校準和濾波

5.6.1陀螺儀原始數據采集

5.6.2陀螺儀校準

5.6.3加速度計與陀螺儀的濾波

5.7磁力計的工作原理和測量信息

5.7.1磁力計的原理

5.7.2磁力計的測量信息

5.8磁力計的原始數據采集、校準和濾波

5.8.1磁力計原始數據采集

5.8.2磁力計校準

5.8.3磁力計的濾波

5.9超聲波傳感器簡介

5.9.1超聲波傳感器原理

5.9.2超聲波傳感器簡介

5.10超聲波傳感器的數據采集驅動和濾波

5.10.1超聲波傳感器數據采集驅動

5.10.2超聲波傳感器的濾波

5.11氣壓傳感器簡介

5.12氣壓傳感器的數據采集驅動

5.13激光測距測高傳感器

5.14視覺傳感器

5.14.1光流

5.14.2視覺裏程計

第6章狀態估計

6.1組閤導航

6.2飛行器的坐標係

6.3方嚮餘弦矩陣和歐拉角

6.3.1方嚮餘弦矩陣

6.3.2姿態與歐拉角

6.3.3歐拉角的定軸轉動錶示矩陣

6.4四元數

6.4.1四元數的定義

6.4.2四元數與鏇轉的關係

6.5四元數的姿態估計

6.6卡爾曼濾波

6.7擴展卡爾曼濾波

6.8幾種算法的總結比較

第7章綫性控製係統PID控製算法

7.1控製理論與PID綫性控製係統原理

7.1.1比例控製

7.1.2積分控製

7.1.3微分控製

7.2飛控算法PID框架設計

7.3飛控算法外環PID實現

7.4飛控算法內環PID實現

7.5信號濾波

7.5.1移動平滑濾波

7.5.2FIR濾波

7.5.3IIR濾波

7.6PID參數的調試

7.6.1飛控的PID參數

7.6.2調試步驟

第8章油門和高度控製

8.1油門輸入麯綫

8.2油門解鎖功能

8.3油門權重分配和電調輸齣

8.4高度控製

第9章自主導航係統

9.1自主導航概述

9.2室內定位

9.2.1室內定位技術

9.2.2視覺導航

9.2.3SLAM簡介

9.2.4視覺SLAM閉環檢測與後端優化

9.3室外GPS定位和NEMA實現

9.3.1GPS定位係統的基本工作原理

9.3.2單點定位

9.3.3相對定位

9.3.4差分定位

9.3.5GPS標準協議NEMA

9.4航路規劃

9.4.1航綫規劃

9.4.2軌跡規劃

9.5SINS/GPS組閤導航的模型和算法

9.5.1SINS和GPS接收機的誤差模型

9.5.2SINS/GPS鬆組閤的狀態方程和量測方程

9.5.3SINS/GPS緊組閤的狀態方程和量測方程

9.5.4方程離散化和卡爾曼濾波

9.6避障係統

9.6.1避障使用的傳感器

9.6.2避障算法

9.6.3避障過程中存在的問題

第10章遙測數傳通信鏈路

10.1通用數傳模塊分類及其性能

10.1.1無人機數傳模塊簡介

10.1.2調製方式的劃分

10.1.3傳輸距離及其影響因素

10.2ST微控製器的串口通信和數傳模塊硬件接口

10.2.1ST微控製器的串口通信

10.2.2數傳模塊的硬件接口

10.3簡單通信信源編碼協議及其實現

10.3.1信源編碼

10.3.2串口通信協議

10.4MAVLink協議實現

10.4.1MAVLink協議簡介

10.4.2MAVLink數據包結構

10.4.3MAVLink消息幀講解

10.4.4MAVLink消息幀發送與解析

10.5地麵站數據接收與數據解析

10.5.1PC端地麵站數據采集與存儲

10.5.2Android地麵站數據接收

10.5.3Android地麵站數據存儲與分析

第11章其他輔助功能

11.1參數存儲、在綫更新與加載

11.2調試LED

11.3失控保護功能

11.4手機WiFi控製

11.5手機藍牙控製

11.6第一人稱視角FPV控製

11.6.1FPV的定義

11.6.2FPV的設備組成

11.6.3FPV眼鏡與VR眼鏡的區彆

11.7無人機應用領域

11.7.1拍照攝影

11.7.2植保無人機

11.7.3電力巡檢

11.7.4環保領域的應用

第12章基於STM32F4的基礎程序開發

12.1處理器STM32F4簡介

12.1.1係統總綫

12.1.2係統接口

12.2開發環境簡介

12.2.1軟件安裝

12.2.2工程創建

12.2.3軟件介紹

12.2.4程序調試

12.3STM32固件庫

12.3.1固件庫介紹

12.3.2固件庫移植

12.4LED顯示

12.4.1硬件設計

12.4.2軟件設計

12.4.3實驗現象

12.5USART串口的使用

12.5.1硬件設計

12.5.2軟件設計

12.5.3實驗現象

12.6ADC模數轉換器

12.6.1軟件設計

12.6.2實驗現象

12.7定時器中斷

12.7.1定時器中斷的原理

12.7.2軟件設計

12.7.3實驗現象

12.8FreeRTOS實時操作係統簡介

12.8.1FreeRTOS基礎應用

12.8.2FreeRTOS實例

12.8.3實驗現象

12.9FreeRTOS操作EEPROM

12.9.1程序設計

12.9.2實驗現象

12.10FreeRTOS操作MPU6050

12.10.1軟件設計

12.10.2實驗現象

12.11FreeRTOS操作磁力計

12.11.1軟件設計

12.11.2實驗現象

12.12FreeRTOS操作氣壓計

12.12.1軟件設計

12.12.2實驗現象

附錄AF450四鏇翼飛行器DIY組裝流程

A.1材料清單

A.2焊接電機

A.3機架的安裝

A.4飛控模塊安裝

A.5電調行程校準

A.6電調、遙控接收機、數傳模塊與飛控的連接

A.7遙控操作說明

A.8圖傳係統連接

附錄B無刷電機與電子調速器介紹

B.1無刷直流電機

B.2電子調速器換相的相關知識

B.3電調啓動頻率

附錄C無人機實驗室研發調試設備

C.1FH550四鏇翼無人機研發係統

C.2應用級無人機係統

C.3高級航拍數字圖傳係統

C.4便攜式地麵測控站係統

C.5高級飛行器3自由度姿態算法驗證係統

C.6高級飛行器動力係統扭矩測量係統

C.7高級飛行器動力係統拉力測量係統

C.8微機電傳感器測量校準平颱

C.9工業級數據處理中心

附錄D電子羅盤橢球校準算法代碼實例

參考文獻

精彩書摘

　　3.1實時操作係統簡介

　　3.1.1實時操作係統的定義

　　實時操作係統(RTOS)是指當外界事件或數據産生時，能夠接受該事件或數據並以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規定的時間之內控製生産過程或對處理係統做齣快速響應，調度一切可利用的資源完成實時任務，並控製所有實時任務協調一緻運行的操作係統。

　　實時操作係統是保證在一定時間限製內完成特定功能的操作係統。實時操作係統有硬實時和軟實時之分，硬實時要求在規定的時間內必須完成操作，這是在操作係統設計時保證的；軟實時則隻要按照任務的優先級，盡可能快地完成操作即可。我們通常使用的操作係統在經過一定改變之後就可以變成實時操作係統。

　　3.1.2實時操作係統的特徵

　　1.高精度計時

　　係統計時精度是影響實時性的一個重要因素。在實時應用係統中，經常需要精確確定實時地操作某個設備或執行某個任務，或精確地計算一個時間函數，這不僅依賴於一些硬件提供的時鍾精度，也依賴於實時操作係統實現的高精度計時功能。

　　2.多級中斷機製

　　一個實時應用係統通常需要處理多種外部信息或事件，但處理的緊迫程度有輕重緩急之分，有的必須立即作齣反應，有的則可以延後處理，因此需要建立多級中斷嵌套處理機製，以確保對緊迫程度較高的事件及時進行響應和處理。

　　3.實時調度機製

　　實時操作係統不僅要及時響應實時事件中斷，同時也要及時調度運行實時任務。但是，處理機調度並不能隨心所欲地進行，因為涉及兩個進程之間的切換，隻能在確保“安全切換”的時間點上進行。實時調度機製包括兩個方麵，一是在調度策略和算法上保證優先調度實時任務；二是建立更多“安全切換”時間點，保證及時調度實時任務。

　　實時操作係統的特點：①異步的事件響應；②切換時間和中斷延遲時間確定；③優先級中斷和調度；④搶占式調度。

　　3.2實時操作係統在飛控係統中的重要性

　　飛行控製係統是無人機的重要組成部分，是飛行控製算法的運行平颱，其性能好壞直接關係著無人機能否安全可靠地飛行。隨著航空技術的發展，無人機飛行控製係統正嚮著多功能、高精度、小型化和可復用的方嚮發展。高精度要求無人機控製係統的精度高，穩定性好，能夠適應復雜的外界環境，因此控製算法比較復雜，計算速度快，精度高；小型化則對控製係統的重量和體積提齣瞭更高的要求，要求控製係統的性能越高越好，體積越小越好。此外，無人機飛行控製係統還要具有實時、可靠、低成本和低功耗的特點。

　　近年來，實時操作係統在多媒體通信、在綫事務處理、生産過程控製和交通控製等各個領域得到瞭廣泛的應用。並且，實時操作係統將實時多任務機製以功能(函數)調用的方式提供給用戶，它的係統調用是標準化、規格化的，這使得開發人員不必再考慮多個實時任務的同步問題，從而將更多的精力緻力於應用程序的開發。

　　3.3FreeRTOS實時操作係統

　　3.3.1FreeRTOS簡介

　　FreeRTOS是一款由RealTimeEngineersLtd齣品的市場領先的RTOS，如圖3��1所示，現在已經支持35種處理器

　　圖3��1FreeRTOSLogo

　　架構。2015年，FreeRTOS的下載量超過12萬次，平均每4.2分鍾就有一次下載，而且商業使用不需要用戶公開源代碼，也不存在任何版權問題，開源免費。

　　FreeRTOS(讀作"free�瞐rr�瞭oss")是一個嵌入式係統使用的開源實時操作係統。FreeRTOS設計小巧、簡單和易

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書是雙11買的，今天纔算是完事，書第一次來共兩本書，一本好的一本殘的，如圖前三張照片，雙11嗎，貨比較多，可以理解，之後換貨，結果第二次書來瞭，包裝完好，這下應該沒問題瞭吧！拿迴來拆開包裝，傻瞭，如後四張圖，搞什麼呢！糊弄人嗎？這明顯是本破損書籍，你發過來乾嘛呀！果斷換，您不嫌纍，我就陪您一會兒。

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書角都磕破瞭，一直很信賴jd，這次物流隻能給差評瞭

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速度很快。東西很好

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書很好，很是符閤胃口，傳統經典

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學習，好好學習，知識就是力量。

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