四旋翼飞行器设计与实现

本书从四旋翼飞行器的历史和现状切入，通过阐述无人机的飞行原理、系统构成、通信协议等，向初学者介绍无人机入门的基础知识；  从实际开发和应用入手，详细介绍了自主设计的四旋翼飞行器的硬件框架、常用硬件及其性能和用法、自主开发的软件系统设计以及飞行控制程序的开发与实践；  另外，本书还展示了四旋翼飞行器的组装过程，提供了实现无人机平稳飞行的实用调试经验，列举了多项实际应用案例。本书致力于帮助读者从不会到会，自主搭建四旋翼飞行器、自主编写程序，并在自制的调试平台上分析数据和调节PID参数，列举了初次起飞时的常见问题及其解决方法，直到飞行器最终能平稳飞行。  本书适用于对四旋翼飞行器感兴趣的初学者入门学习，也可作为参加各种大学生无人机电子设计竞赛的大学生们的学习参考用书。

第1章四旋翼飞行器概述与发展现状

1.1空中机器人

1.2国内外四旋翼飞行器的研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3四旋翼飞行器技术关键

1.3.1总体设计优化

1.3.2能源动力系统

1.3.3建立数学模型

1.3.4飞行控制

1.3.5定位、导航与通信

第2章四旋翼飞行器飞行原理

2.1基本原理

2.2四旋翼飞行器姿态表示

2.2.1坐标系统建立

2.2.2姿态解算

2.3平衡控制算法

2.3.1四旋翼飞行器的PID调节原理

2.3.2四旋翼飞行器的PID参数整定(利用MATLAB仿真确定

理论参数)

2.4滤波算法

2.4.1卡尔曼滤波算法

2.4.2互补滤波算法

第3章四旋翼飞行器常用通信协议

3.1常用通信接口协议

3.1.1SPI

3.1.2I2C

3.1.3USART

3.2常用RC(RadioController)通信协议

3.2.1PPM

3.2.2PWM

第4章四旋翼飞行器硬件系统设计

4.1四旋翼飞行器系统硬件总体结构

4.1.1主控板

4.1.2外围传感器

4.1.3遥控器介绍

4.2机架的构造与电机的选用

4.2.1机架结构与设备安装

4.2.2电机与桨的选用

第5章四旋翼飞行器软件系统设计

5.1开发工具简介

5.1.1CCS

5.1.2IAR

5.1.3Keil

5.2飞行控制板控制系统软件总体设计

5.2.1总体框架

5.2.2初始化

5.2.3中断处理

5.2.4飞行控制程序中的重要变量列表

5.3四旋翼飞行器具体功能软件实现

5.3.1定高飞行

5.3.2定点悬停与位移控制

5.3.3数据传输设计

5.3.4控制系统设计

5.4地面站软件设计

5.4.1地面站系统组成与图形化的界面操作设计

5.4.2与四旋翼飞行器的通信协议

5.4.3遥控器PPM信号捕获

5.5上位机软件设计

5.5.1软件功能

5.5.2软件实现

第6章四旋翼飞行器制作及调试方法

6.1飞行控制板PCB板制作与调试技术

6.2四旋翼飞行器的组装

6.2.1飞行器的组装步骤

6.2.2新组装四旋翼飞行器的第一次调试过程

6.3常见调试问题与解决方案

6.3.1PID参数调整经验

6.3.2减少机械振动以提高飞行稳定性

第7章成功案例

7.1竞赛作品1——2015年(瑞萨杯)全国大学生电子设计竞赛

7.1.1题目要求

7.1.2系统方案

7.1.3实现方案

7.1.4软硬件方案

7.1.5测试

7.2竞赛作品2——2016年(TI杯)上海市大学生电子设计竞赛

7.2.1题目要求

7.2.2系统方案

7.2.3实现方案

7.2.4硬件与程序方案

7.2.5测试

7.3毕业设计作品1——目标跟踪四旋翼飞行器

7.3.1课题概述

7.3.2硬件系统设计

7.3.3飞行控制板软件系统设计

7.3.4系统板软件系统设计

7.3.5总结与展望

7.4毕业设计作品2——基于Kinect的穿窗和手势控制四旋翼飞行器

7.4.1课题概述

7.4.2硬件系统概述

7.4.3目标物体定位和追踪

7.4.4路径规划及控制

7.4.5总结与展望

参考文献