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[出版社直发 四旋翼飞行器设计与实现（清华开发者书库）]

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&[nbsp;书名：][四旋翼飞行器设计与实现（清华开发者书库）]
&[nbsp;出版社：]&[nbsp;清华大学出版社]
&[nbsp;出版日期] 2018
&[nbsp;ISBN号：]9787302489641

[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]

[无]

[目前空中机器人的研究大都是围绕微型无人飞行器进行的，这是因为跟其他无人飞行器相比，微型无人飞行器造价低、体积较小、重量轻、飞行相对灵活，起落受限制少，能适应复杂多变的环境，更适合进行目标识别、定位等比赛项目。而且在实际应用中，由于其具有高度的灵活性和很强的适应性，微型无人飞行器在军事和民用上有广泛的应用前景。]


[根据结构和飞行原理的不同，无人飞行器分为两种。其一是固定翼无人机，而固定翼无人机又分为螺旋桨式无人机和喷气式无人机，固定翼无人机的飞行原理是在无人机高速前进的过程中，通过机翼上下气流和气压的不同，产生升力，保持无人机的飞行；其二是旋翼式无人机，旋翼的数量可以有一个或多个，《四旋翼飞行器设计与实现》中研究的是四旋翼无人机，旋翼无人机的原理是用一个或多个螺旋桨的高速转动产生升力，如果是多个螺旋桨，需要通过多个螺旋桨的配合保持平衡，也是通过螺旋桨的配合控制无人机的六个自由度方向的运动，旋翼无人机最大的特点就是可以垂直起降和悬停，相比固定翼无人机，有很好的机动性，对场地要求也较小，可扩展功能十分广泛。]


[四旋翼飞行器作为一个载体，在实现基本飞行功能的基础上，可以附加各种不同的功能，这也是四旋翼飞行器的最大魅力之一。除了最常见的航拍功能，近年来不断出现各类新型无人机，如自拍无人机、农业植保无人机和快递无人机等。各大研究机构开发的室内精确定位无人机则能实现更多精细化的工作，如利用无人机搭建垂直村落，无人机集群化协同飞行表演等。]


[然而这些复杂功能的实现的基础，首先是要实现无人机基础飞行功能，主要是实现（1）四旋翼飞行器实现自主平衡，（2）四旋翼飞行器在有遥控控制的情况下按照遥控者意愿飞行，且操作难度较低，（3）四旋翼飞行器在无遥控情况下利用附加传感器实现定点悬停和位移控制，这些是实现四旋翼飞行器自主飞行功能的基础。]


[对于初学者来说，四旋翼飞行器的基础飞行功能的实现有较高的难度，不仅要根据飞行原理装配四旋翼飞行器的硬件，在硬件层面保证飞行器能够安全稳定飞行，同时还要进行四旋翼飞行器软件设计，尤其是较为困难的底层软件设计。除此之外，四旋翼飞行器参数的调节也对开发者有巨大的挑战。]


[《四旋翼飞行器设计与实现》从四旋翼飞行器的前世今生切入，通过阐述无人机的飞行原理、系统构成、通信协议等，向初学者介绍了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，《四旋翼飞行器设计与实现》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。]


[《四旋翼飞行器设计与实现》致力于帮助读者从不会到会，从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。]


[目录]

[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(Radio Controller)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]—&[mdash;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]—&[mdash;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]—&[mdash;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]—&[mdash;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]

[前言]

[1907年，世界上第一架四旋翼飞行器成功升空，拉开了四旋翼飞行器研究的大幕。四旋翼飞行器的研究，是多学科的碰撞和结合，涉及控制理论、电子与通信理论、图像处理技术及各种传感器技术，也与材料科学等学科密切相关。]

[由于四旋翼飞行器相较于固定翼飞行器具有机动性强、能源利用率高、结构设计巧妙和安全性高等特点，相较于地面机器人具有更高的自由度，因此近年来已成为一个研究热点，不仅大学等研究机构进行了广泛而深入的研究，以大疆为首的消费级四旋翼飞行器也取得了爆发式的发展。]

[四旋翼飞行器作为一个载体，在实现基本飞行功能的基础上，可以附加各种不同的功能，这也是四旋翼飞行器的最大魅力之一。近年来还出现了各类新型无人机，如自拍无人机、农业植保无人机和快递无人机等。各大研究机构开发的室内精确定位无人机则能实现更多精细化的工作，如利用无人机搭建垂直村落、无人机集群化协同飞行表演等。]

[实现四旋翼飞行器自主飞行功能的基础： ①四旋翼飞行器实现自主平衡； ②四旋翼飞行器在有遥控的情况下按照遥控者意愿飞行，且操作难度较低； ③四旋翼飞行器在无遥控情况下利用附加传感器实现定点悬停和位移控制。]

[对于初学者来说，四旋翼飞行器基础飞行功能的实现有较高的难度，不仅要根据飞行原理装配四旋翼飞行器的硬件，在硬件层面保证飞行器能够安全稳定飞行，而且要进行四旋翼飞行器软件设计，尤其是较为困难的底层软件设计。此外，四旋翼飞行器参数的调节对开发者来说也是巨大的挑战。]

[本书深入浅出地全面介绍了四旋翼飞行器的各方面知识，让读者能轻松容易地进行学习。各章节分布如下： 第1章介绍四旋翼飞行器的历史、现状和关键技术； 第2章介绍四旋翼飞行器的飞行原理，包括姿态表示、姿态解算、平衡控制算法和滤波算法； 第3章介绍四旋翼飞行器设计中常用的通信协议； 第4章介绍四旋翼飞行器上常用的硬件设备； 第5章介绍四旋翼飞行器软件系统设计； 第6章介绍飞行控制模块PCB的设计及四旋翼飞行器的组装经验和调试经验； 第7章介绍几项四旋翼飞行器的实际应用案例。]

[本书的撰写得到了上海大学无人机协会成员徐晨畅、钱思杰、曹中正、黄潇畅、胡啸林等的大力协助，对他们在本书编写过程中所做的工作表示感谢。]

[由于编者的知识水平有限，书中疏漏之处在所难免，希望广大读者批评指正。]

[编者2018年3月]

 

[清华大学出版社官方旗舰店]