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本书系统介绍了动手制作（DIY）一个微型四旋翼飞行器的理论知识及实践方法，主要目的是使读者熟悉并掌握四旋翼飞行器的飞行控制及组装原理，熟悉并掌握航电设备的使用。本书以四旋翼飞行器涉及的嵌入式系统基本概念、原理、定律和嵌入式系统软/硬件开发方法为主线，以“实际、实用、实践”为原则，淡化理论深度，突出工程应用，构建科学、协调、可操作的内容体系，知识结构合理，注重课程交叉，及时引入课程最新发展成果。

第1章  绪论
  1.1  飞行器分类 
  1.2  无人机的概念 
  1.3  无人机自主飞行
    1.3.1  自主飞行概念 
    1.3.2  无人机自主控制等级 
    1.3.3  无人机模块化结构 
  1.4  国际空中机器人大赛
  1.5  开源飞控
  1.6  飞行器控制涉及的知识
第2章  空间坐标系及姿态角描述 
  2.1  满足右手定则的坐标系
  2.2  方向余弦阵
    2.2.1  二维坐标旋转 
    2.2.2  三维坐标旋转
  2.3  欧拉角
  2.4  由等效旋转矢量到四元数
    2.4.1  向量点乘和叉乘 
    2.4.2  等效旋转矢量 
    2.4.3  复数形式四元数 
  2.5  四元数、欧拉角以及方向余弦阵对比
第3章  四旋翼飞行器数学模型
  3.1  飞行要素 
    3.1.1  大气飞行环境
    3.1.2  伯努利定理
    3.1.3  固定翼飞机的平飞
  3.2  四旋翼飞行器的飞行原理 
  3.3  四旋翼飞行器的数学模型 
    3.3.1  数学模型概述
    3.3.2  建模假设条件
    3.3.3  动力子系统建模
    3.3.4  动力学模型
    3.3.5  运动学模型
    3.3.6  模型的简化
  3.4  四旋翼飞行器的特点 
第4章  传感器及姿态角测量
  4.1  基本概念 
  4.2  MEMS 
  4.3  陀螺仪 
    4.3.1  机械陀螺仪原理
    4.3.2  MEMS陀螺仪
    4.3.3  ITG3200应用
  4.4  加速度计 
    4.4.1  加速度计原理
    4.4.2  LIS3VDQ结构
    4.4.3  加速度计标定
  4.5  磁罗盘 
    4.5.1  磁罗盘原理
    4.5.2  磁罗盘LSM303DLH
    4.5.3  磁罗盘标定
  4.6  GPS 
  4.7  姿态角测量公式 
    4.7.1  俯仰角和滚转角测量
    4.7.2  偏航角测量
第5章  卡尔曼滤波
  5.1  线性系统状态能观 
  5.2  卡尔曼滤波原理 
    5.2.1  数学基础
    5.2.2  卡尔曼滤波算法
    5.2.3  卡尔曼滤波案例1
    5.2.4  卡尔曼滤波案例2
    5.2.5  参数分析
    5.2.6  扩展卡尔曼滤波
  5.3  卡尔曼滤波在姿态解算中的应用 
    5.3.1  四元数微分方程
    5.3.2  状态模型
    5.3.3  测量模型
    5.3.4  卡尔曼滤波算法步骤
    5.3.5  四旋翼姿态解算代码实现
第6章  动力系统
  6.1  电动机 
    6.1.1  有刷电动机
    6.1.2  空心杯电动机
    6.1.3  无刷电动机特点
    6.1.4  无刷电动机结构
    6.1.5  无刷电动机工作原理
    6.1.6  无刷电动机参数
  6.2  电调 
    6.2.1  电调功能
    6.2.2  电调原理
    6.2.3  电调参数
  6.3  电池 
    6.3.1  锂电池简介
    6.3.2  电池参数
    6.3.3  电池使用注意事项
  6.4  螺旋桨 
    6.4.1  螺旋桨的作用
    6.4.2  螺旋桨的分类
    6.4.3  螺旋桨的参数
  6.5  导线 
  6.6  机架 
第7章  嵌入式主控系统
  7.1  微型计算机的组成 
  7.2  CM3体系结构
  7.3  CM3寄存器 
  7.4  STM32的存储结构 
    7.4.1  总线接口
    7.4.2  CM3存储器组织
    7.4.3  STM32存储器映射
    7.4.4  大端和小端
    7.4.5  字节对齐
    7.4.6  动态内存
  7.5  ARM指令集 
  7.6  STM32F1和STM32F4的区别 
  7.7  STM32的选型 
  7.8  嵌入式系统分层结构 
第8章  PID控制算法
  8.1  控制的基本过程
  8.2  四旋翼飞行器PID控制器原理
    8.2.1  PID控制基本理论
    8.2.2  控制规律的选择
    8.2.3  四旋翼飞行器的串级PID控制
  8.3  PID参数整定
    8.3.1  PID参数对系统性能的影响
    8.3.2  参数整定基本概念
    8.3.3  单环PID参数整定
    8.3.4  串级PID参数整定
第9章  嵌入式操作系统
  9.1  操作系统基本概念
    9.1.1  操作系统功能
    9.1.2  操作系统工作过程
    9.1.3  前后台系统
    9.1.4  实时操作系统
    9.1.5  通用操作系统与实时操作系统的比较
  9.2  飞行器与操作系统
  9.3  操作系统中的任务
    9.3.1  任务的特性
    9.3.2  多任务的实现
    9.3.3  任务划分的目标
  9.4  FreeRTOS操作系统简介
  9.5  FreeRTOS中的任务管理
    9.5.1  FreeRTOS中的任务
    9.5.2  相对延
    9.5.3  绝对延
  9.6  FreeRTOS中的互斥信号量
    9.6.1  互斥信号量的概念
    9.6.2  互斥信号量的应用
  9.7  FreeRTOS中的任务通信
    9.7.1  队列概念
    9.7.2  队列通信案例
  9.8  飞控操作系统中的任务及其通信
第10章  无线通信
  10.1  无线通信原理
  10.2  无线电波
    10.2.1  无线通信按频率分类
    10.2.2  2.4GHz无线技术简介
    10.2.3  2.4GHz无线通信扩频技术
    10..2..4  2.4GHz无线技术特点
  10.3  手持遥控器工作原理
    10.3.1   发射机
    10.3.2  接收机
    10.3.3  设备使用中需注意的问题
  10.4   飞行器的其他无线通信
第11章  飞手实训
  11.1  无人机就业职位要求
  11.2  飞手练习方法
  11.3  民用无人机空中交通管理办法
  11.4  飞行时的注意事项
    11.4.1  人
    11.4.2  机
    11.4.3  环境
  11.5  飞行器检修及保养
附录A  椭球相关程序
附录B  卡尔曼滤波代码
附录C  PID参数对系统性能影响试验代码
参考文献

前言
      本书主要讲述动手制作（DIY）一个微型四旋翼飞行器涉及的理论及实践知识。四旋翼知识体系主要涉及两大方面，即机械部分和电控部分，本书侧重电控部分，以“四旋翼电控开发工程师”为培养目标，而电控部分具体指“嵌入式系统开发”，按照嵌入式系统层次组成，本书各章节关系如下图所示：
    除了上述章节外，还包括第1章绪论和第11章飞手实训。
    本书与各章节理论相结合给出的代码基于我们自己开发的飞控系统，该系统在首届全国高校自动化专业青年教师实验设备设计“创客大赛”中获得铜奖（见下图）。但本书的理论内容不拘泥于此，任选一款开源飞控，都可以参考本书进行四旋翼飞行器的相关学习。
    本书以应用为导向进行内容安排。例如，四元数的概念放到第2章，四元数的微分方程放到第5.3节；欧拉角的概念放到第2章，欧拉角奇点的概念在第3.3.5节中介绍，欧拉角和四元数的转换放到第5.3节。
    本书侧重知识体系构建及引导案例设计，例如第7章和第9章，给出了知识框架，而没有分别写成“STM32系列芯片手册”和“FreeRTOS库函数手册”，因为我们的目的是让读者在本书的指导下入门嵌入式学习，而芯片手册等像砖头一样的参考资料可以上网下载，使用的时候查找即可。
    本书反复论述的一个核心：“四旋翼能够飞行主要是依靠传感器系统获取位姿信息并反馈到微处理器进行控制系统的运算，然后驱动电动机完成姿态控制”分别在第3、7、8、9章从不同方面进行论述，希望读者进行相应归纳。
    现在是“互联网架空大学”的时代，在四旋翼开发实践中，与其说四旋翼是“做”出来的，不如说是从搜索引擎“搜”出来的，因此希望大家和Baidu、Google做朋友，如果遇到一个四旋翼动力系统参数匹配细节问题，可以搜索四旋翼动力设计网页；如果遇到嵌入式开发stm32固件库函数使用上的问题，可以搜索固件库文档；如果遇到卡尔曼滤波、PID算法等典型任务，可以搜索示例代码；当开发中遇到疑难杂症时，可以提炼关键词搜索是否有人遇到相同问题。总之，网络就是大金矿，而搜索引擎就是采矿机器，善用搜索引擎可以帮助我们充分利用丰富的网络资源来进行有效的学习和开发。
    本书是DJI大疆创新产学合作专业综合改革项目的成果之一，得到了国内多旋翼知名企业大疆创新公司的支持，在此表示感谢。
    本书由陈志旺等编著。其中，第1~3章、第7~10章和附录由燕山大学陈志旺编写；第4章由国网黑龙江省电力有限公司佳木斯供电公司宋娟编写；第6章由国网黑龙江省电力有限公司佳木斯供电公司陈志兴编写；第11章由燕山大学宁志旋编写；第5章由燕山大学吕宏诗编写。全书由陈志旺统稿。参加本书编写的还有薛佳伟、王敬、张子振、赵子铮、邵玉杰、王小飞、张健、黄兴旺、白锌和赵方亮。书中引用了一些网上文献，无法一一注明出处，在此向原作者表示感谢！
    由于编著者水平有限，书中难免存在错误与不妥之处，欢迎读者朋友不吝赐教！ 
                                                                     编著者

工业技术-嵌入式系统

陈志旺博士，燕山大学副教授、硕导，主要从事预测控制、智能控制、嵌入式系统研发等方向的教学与科研工作，大学生创新性实验计划"嵌入式电动四旋翼飞行器的设计及实现”"嵌入式四旋翼飞行器自主飞行的设计及实现”指导教师，指导学生完成的"新型自适应四旋翼飞行器”获第12届"挑战杯"全国大学生课外学术科技作品竞赛奖。

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