多旋翼無人飛行器嵌入式飛控開發指南

第1章多旋翼無人機基礎知識

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別

1.4多旋翼無人機的發展歷史

1.5多旋翼無人機的組成

1.5.1機架系統

1.5.2動力系統

1.5.3動力電源與充電系統

1.5.4電子調速器

1.5.5飛行控制系統

1.5.6遙控器和遙控接收機

1.5.7遙測鏈路數傳系統

1.5.8光流定位系統

1.5.9全球衛星導航系統

1.5.10高度計

1.5.11導航系統

1.5.12無線圖傳系統

1.5.13地面站控制系統

1.5.14任務載荷雲台和攝像頭

1.5.15避障系統

1.5.16虛擬現實和增強現實系統

1.6多旋翼飛行器的結構和飛行原理

1.6.1多旋翼飛行器的機身布局

1.6.2多旋翼飛行器的旋翼結構

1.6.3多旋翼飛行器的飛行原理

1.6.4多旋翼的優缺點

1.7開源飛控簡介

第2章飛行控制系統核心硬件

2.1ARM Cortex?M4架構

2.1.1ARM內核

2.1.2Cortex?M4內核

2.1.3以ARM Cortex?M4為核心的微控制器

2.2STM32F4系列微控制器

2.3飛行控制系統硬件架構設計與原理

2.3.1遙控接收機接口

2.3.2電調輸出接口

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系統供電

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飛控系統硬件設計注意事項

第3章嵌入式實時操作系統和FreeRTOS

3.1實時操作系統簡介

3.1.1實時操作系統的定義

3.1.2實時操作系統的特征

3.2實時操作系統在飛控系統中的重要性

3.3FreeRTOS實時操作系統

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?routines)

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飛控系統的任務規划與5環控制

第4章飛行控制系統的定時器

4.1STM32F407的系統時鍾配置

4.1.1STM32F4的系統時鍾樹

4.1.2STM32F4的系統時鍾初始化

4.1.3STM32F4的系統時鍾使能和配置

4.2ST微控制器的定時器模塊

4.2.1高級控制定時器(Advanced?control Timers)

4.2.2通用定時器(General?purpose Timers)

4.2.3基本定時器(Basic Timers)

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電子調試器的輸出控制PWM和定時器輸出比較模式

第5章飛控系統的傳感器

5.1飛控系統的傳感器

5.2ST微控制器的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、校准和濾波

5.4.1加速度計原始數據采集

5.4.2加速度計校准

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、校准和濾波

5.6.1陀螺儀原始數據采集

5.6.2陀螺儀校准

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、校准和濾波

5.8.1磁力計原始數據采集

5.8.2磁力計校准

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視覺里程計

第6章狀態估計

6.1組合導航

6.2飛行器的坐標系

6.3方向余弦矩陣和歐拉角

6.3.1方向余弦矩陣

6.3.2姿態與歐拉角

6.3.3歐拉角的定軸轉動表示矩陣

6.4四元數

6.4.1四元數的定義

6.4.2四元數與旋轉的關系

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章線性控制系統PID控制算法

7.1控制理論與PID線性控制系統原理

7.1.1比例控制

7.1.2積分控制

7.1.3微分控制

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章油門和高度控制

8.1油門輸入曲線

8.2油門解鎖功能

8.3油門權重分配和電調輸出

8.4高度控制

第9章自主導航系統

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閉環檢測與后端優化

9.3室外GPS定位和NEMA實現

9.3.1GPS定位系統的基本工作原理

9.3.2單點定位

9.3.3相對定位

9.3.4差分定位

9.3.5GPS標准協議NEMA

9.4航路規划

9.4.1航線規划

9.4.2軌跡規划

9.5SINS/GPS組合導航的模型和算法

9.5.1SINS和GPS接收機的誤差模型

9.5.2SINS/GPS松組合的狀態方程和量測方程

9.5.3SINS/GPS緊組合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避障系統

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調制方式的划分

10.1.3傳輸距離及其影響因素

10.2ST微控制器的串口通信和數傳模塊硬件接口

10.2.1ST微控制器的串口通信

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地面站數據接收與數據解析

10.5.1PC端地面站數據采集與存儲

10.5.2Android地面站數據接收

10.5.3Android地面站數據存儲與分析

第11章其他輔助功能

11.1參數存儲、在線更新與加載

11.2調試LED

11.3失控保護功能

11.4手機WiFi控制

11.5手機藍牙控制

11.6第一人稱視角FPV控制

11.6.1FPV的定義

11.6.2FPV的設備組成

11.6.3FPV眼鏡與VR眼鏡的區別

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系統總線

12.1.2系統接口

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實時操作系統簡介

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AF450四旋翼飛行器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電調行程校准

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圖傳系統連接

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電調啟動頻率

附錄C無人機實驗室研發調試設備

C.1FH550四旋翼無人機研發系統

C.2應用級無人機系統

C.3高級航拍數字圖傳系統

C.4便攜式地面測控站系統

C.5高級飛行器3自由度姿態算法驗證系統

C.6高級飛行器動力系統扭矩測量系統

C.7高級飛行器動力系統拉力測量系統

C.8微機電傳感器測量校准平台

C.9工業級數據處理中心

附錄D電子羅盤橢球校准算法代碼實例

參考文獻