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第1章 多旋翼无人机基础知识1

1.1 无人机的介绍1

1.2 无人机的分类与管理4

1.3 无人机与航空模型的区别4

1.4 多旋翼无人机的发展历史5

1.5 多旋翼无人机的组成7

1.5.1 机架系统7

1.5.2 动力系统8

1.5.3 动力电源与充电系统11

1.5.4 电子调速器13

1.5.5 飞行控制系统14

1.5.6 遥控器和遥控接收机15

1.5.7 遥测链路数传系统17

1.5.8 光流定位系统18

1.5.9 全球卫星导航系统19

1.5.10 高度计20

1.5.11 导航系统20

1.5.12 无线图传系统22

1.5.13 地面站控制系统23

1.5.14 任务载荷云台和摄像头24

1.5.15 避障系统25

1.5.16 虚拟现实和增强现实系统28

1.6 多旋翼飞行器的结构和飞行原理29

1.6.1 多旋翼飞行器的机身布局29

1.6.2 多旋翼飞行器的旋翼结构31

1.6.3 多旋翼飞行器的飞行原理32

1.6.4 多旋翼的优缺点35

1.7 开源飞控简介36

第2章 飞行控制系统核心硬件42

2.1 ARM Cortex-M4架构42

2.1.1 ARM内核42

2.1.2 Cortex-M4内核42

2.1.3 以ARM Cortex-M4为核心的微控制器49

2.2 STM32F4系列微控制器50

2.3 飞行控制系统硬件架构设计与原理52

2.3.1 遥控接收机接口53

2.3.2 电调输出接口56

2.3.3 传感器接口57

2.3.4 GNSS接口59

2.3.5 SWD调试口59

2.3.6 超声波接口61

2.3.7 系统供电61

2.3.8 遥测数传62

2.3.9 其他功能和扩展接口62

2.4 “光标”飞控PCB的布局设计65

2.5 飞控系统硬件设计注意事项65

第3章 嵌入式实时操作系统和FreeRTOS68

3.1 实时操作系统简介68

3.1.1 实时操作系统的定义68

3.1.2 实时操作系统的特征68

3.2 实时操作系统在飞控系统中的重要性69

3.3 FreeRTOS实时操作系统69

3.3.1 FreeRTOS简介69

3.3.2 FreeRTOS的特点69

3.3.3 FreeRTOS架构概述70

3.4 调度策略71

3.4.1 FreeRTOS支持的调度方式71

3.4.2 调度器简介71

3.4.3 抢占式调度器71

3.4.4 时间片调度器73

3.5 任务及任务优先级74

3.5.1 任务和协程（Co-routines）74

3.5.2 任务状态74

3.5.3 任务优先级75

3.5.4 任务优先级分配方案75

3.6 任务间通信——信号量76

3.6.1 信号量的概念及其作用76

3.6.2 FreeRTOS任务间计数信号量的实现77

3.6.3 FreeRTOS中断方式计数信号量的实现77

3.6.4 计数信号量API函数78

3.7 任务间通信—消息队列81

3.7.1 消息队列的概念及其作用81

3.7.2 FreeRTOS任务间消息队列的实现81

3.7.3 FreeRTOS中断方式消息队列的实现82

3.7.4 消息队列API函数83

3.8 任务间通信——互斥信号量86

3.8.1 互斥信号量的概念及其作用86

3.8.2 优先级翻转问题86

3.8.3 FreeRTOS互斥信号量的实现87

3.8.4 互斥信号量API函数88

3.9 飞控系统的任务规划与5环控制89

第4章 飞行控制系统的定时器91

4.1 STM32F407的系统时钟配置91

4.1.1 STM32F4的系统时钟树91

4.1.2 STM32F4的系统时钟初始化94

4.1.3 STM32F4的系统时钟使能和配置98

4.2 ST微控制器的定时器模块101

4.2.1 高级控制定时器（Advanced-control Timers）101

4.2.2 通用定时器（General-purpose Timers）104

4.2.3 基本定时器（Basic Timers）107

4.3 任务调度定时器109

4.4 遥控器PWM编码和定时器输入捕获110

4.5 电子调试器的输出控制PWM和定时器输出比较模式111

第5章 飞控系统的传感器113

5.1 飞控系统的传感器113

5.2 ST微控制器的I2C驱动114

5.2.1 I2C简介114

5.2.2 I2C驱动在STM32中的硬件实现115

5.2.3 I2C驱动在STM32中的软件实现120

5.3 加速度计的原理和测量信息123

5.3.1 加速度计的原理123

5.3.2 加速度计的测量信息124

5.4 加速度计原始数据采集、校准和滤波125

5.4.1 加速度计原始数据采集125

5.4.2 加速度计校准133

5.5 陀螺仪的原理和测量信息135

5.5.1 陀螺仪的原理135

5.5.2 陀螺仪的测量信息135

5.6 陀螺仪的原始数据采集、校准和滤波136

5.6.1 陀螺仪原始数据采集136

5.6.2 陀螺仪校准136

5.6.3 加速度计与陀螺仪的滤波137

5.7 磁力计的工作原理和测量信息137

5.7.1 磁力计的原理137

5.7.2 磁力计的测量信息139

5.8 磁力计的原始数据采集、校准和滤波139

5.8.1 磁力计原始数据采集140

5.8.2 磁力计校准145

5.8.3 磁力计的滤波148

5.9 超声波传感器简介149

5.9.1 超声波传感器原理149

5.9.2 超声波传感器简介149

5.10 超声波传感器的数据采集驱动和滤波151

5.10.1 超声波传感器数据采集驱动151

5.10.2 超声波传感器的滤波153

5.11 气压传感器简介154

5.12 气压传感器的数据采集驱动155

5.13 激光测距测高传感器157

5.14 视觉传感器158

5.14.1 光流158

5.14.2 视觉里程计163

第6章 状态估计168

6.1 组合导航168

6.2 飞行器的坐标系169

6.3 方向余弦矩阵和欧拉角170

6.3.1 方向余弦矩阵170

6.3.2 姿态与欧拉角171

6.3.3 欧拉角的定轴转动表示矩阵172

6.4 四元数175

6.4.1 四元数的定义175

6.4.2 四元数与旋转的关系176

6.5 四元数的姿态估计177

6.6 卡尔曼滤波182

6.7 扩展卡尔曼滤波186

6.8 几种算法的总结比较190

第7章 线性控制系统PID控制算法192

7.1 控制理论与PID线性控制系统原理192

7.1.1 比例控制193

7.1.2 积分控制194

7.1.3 微分控制194

7.2 飞控算法PID框架设计194

7.3 飞控算法外环PID实现195

7.4 飞控算法内环PID实现197

7.5 信号滤波198

7.5.1 移动平滑滤波198

7.5.2 FIR滤波200

7.5.3 IIR滤波202

7.6 PID参数的调试205

7.6.1 飞控的PID参数205

7.6.2 调试步骤205

第8章 油门和高度控制207

8.1 油门输入曲线207

8.2 油门解锁功能208

8.3 油门权重分配和电调输出209

8.4 高度控制211

第9章 自主导航系统213

9.1 自主导航概述213

9.2 室内定位214

9.2.1 室内定位技术214

9.2.2 视觉导航216

9.2.3 SLAM简介217

9.2.4 视觉SLAM闭环检测与后端优化217

9.3 室外GPS定位和NEMA实现218

9.3.1 GPS定位系统的基本工作原理218

9.3.2 单点定位219

9.3.3 相对定位219

9.3.4 差分定位220

9.3.5 GPS标准协议NEMA220

9.4 航路规划230

9.4.1 航线规划230

9.4.2 轨迹规划232

9.5 SINS/GPS组合导航的模型和算法233

9.5.1 SINS和GPS接收机的误差模型233

9.5.2 SINS/GPS松组合的状态方程和量测方程234

9.5.3 SINS/GPS紧组合的状态方程和量测方程235

9.5.4 方程离散化和卡尔曼滤波237

9.6 避障系统238

9.6.1 避障使用的传感器238

9.6.2 避障算法238

9.6.3 避障过程中存在的问题241

第10章 遥测数传通信链路242

10.1 通用数传模块分类及其性能242

10.1.1 无人机数传模块简介242

10.1.2 调制方式的划分242

10.1.3 传输距离及其影响因素244

10.2 ST微控制器的串口通信和数传模块硬件接口245

10.2.1 ST微控制器的串口通信245

10.2.2 数传模块的硬件接口248

10.3 简单通信信源编码协议及其实现249

10.3.1 信源编码249

10.3.2 串口通信协议249

10.4 MAVLink协议实现249

10.4.1 MAVLink协议简介249

10.4.2 MAVLink数据包结构250

10.4.3 MAVLink消息帧讲解251

10.4.4 MAVLink消息帧发送与解析255

10.5 地面站数据接收与数据解析258

10.5.1 PC端地面站数据采集与存储258

10.5.2 Android地面站数据接收260

10.5.3 Android地面站数据存储与分析262

第11章 其他辅助功能264

11.1 参数存储、在线更新与加载264

11.2 调试LED266

11.3 失控保护功能271

11.4 手机WiFi控制274

11.5 手机蓝牙控制278

11.6 第一人称视角FPV控制282

11.6.1 FPV的定义282

11.6.2 FPV的设备组成282

11.6.3 FPV眼镜与VR眼镜的区别284

11.7 无人机应用领域285

11.7.1 拍照摄影285

11.7.2 植保无人机287

11.7.3 电力巡检288

11.7.4 环保领域的应用290

第12章 基于STM32F4的基础程序开发292

12.1 处理器STM32F4简介292

12.1.1 系统总线292

12.1.2 系统接口294

12.2 开发环境简介295

12.2.1 软件安装295

12.2.2 工程创建298

12.2.3 软件介绍300

12.2.4 程序调试301

12.3 STM32固件库302

12.3.1 固件库介绍302

12.3.2 固件库移植303

12.4 LED显示307

12.4.1 硬件设计307

12.4.2 软件设计308

12.4.3 实验现象308

12.5 USART串口的使用309

12.5.1 硬件设计309

12.5.2 软件设计309

12.5.3 实验现象310

12.6 ADC模数转换器311

12.6.1 软件设计311

12.6.2 实验现象313

12.7 定时器中断313

12.7.1 定时器中断的原理313

12.7.2 软件设计314

12.7.3 实验现象315

12.8 FreeRTOS实时操作系统简介315

12.8.1 FreeRTOS基础应用316

12.8.2 FreeRTOS实例316

12.8.3 实验现象317

12.9 FreeRTOS操作EEPROM318

12.9.1 程序设计318

12.9.2 实验现象319

12.10 FreeRTOS操作MPU6050320

12.10.1 软件设计320

12.10.2 实验现象321

12.11 FreeRTOS操作磁力计321

12.11.1 软件设计322

12.11.2 实验现象322

12.12 FreeRTOS操作气压计323

12.12.1 软件设计323

12.12.2 实验现象325

附录A F450四旋翼飞行器DIY组装流程326

A.1 材料清单326

A.2 焊接电机329

A.3 机架的安装329

A.4 飞控模块安装333

A.5 电调行程校准334

A.6 电调、遥控接收机、数传模块与飞控的连接335

A.7 遥控操作说明336

A.8 图传系统连接336

附录B 无刷电机与电子调速器介绍339

B.1 无刷直流电机339

B.2 电子调速器换相的相关知识340

B.3 电调启动频率341

附录C 无人机实验室研发调试设备343

C.1 FH550四旋翼无人机研发系统343

C.2 应用级无人机系统345

C.3 高级航拍数字图传系统347

C.4 便携式地面测控站系统348

C.5 高级飞行器3自由度姿态算法验证系统349

C.6 高级飞行器动力系统扭矩测量系统349

C.7 高级飞行器动力系统拉力测量系统350

C.8 微机电传感器测量校准平台350

C.9 工业级数据处理中心350

附录D 电子罗盘椭球校准算法代码实例352

参考文献357