四旋翼飞行器快速上手 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

陈志旺 等 著

图书标签:

• 四旋翼飞行器
• 无人机
• 飞行控制
• DIY
• FPV
• 航模
• 电子工程
• 嵌入式系统
• 机器人
• 开源硬件

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121325489

版次：1

商品编码：12204857

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-09-01

用纸：轻型纸

页数：272

字数：432000

正文语种：中文

内容简介

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*新发展成果。

作者简介

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。

目录

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/序言

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

开启空中探索之旅：你的第一架四旋翼飞行器 想象一下，你手中掌握着一架能够轻松腾空而起的奇妙装置，它能让你以全新的视角俯瞰世界，捕捉那些寻常角度难以企及的美景，甚至能化身你的得力助手，完成各种有趣的空中任务。这本书，正是为你打开这扇通往奇妙空中世界的大门而准备。我们不只是简单地介绍一个遥控玩具，而是邀请你踏上一段充满发现与创造的旅程，从零开始，逐步掌握驾驶四旋翼飞行器的乐趣与技巧。 告别迷茫，直奔主题：轻松上手，乐趣无限 你是否曾被琳琅满目的飞行器型号弄得眼花缭乱？是否担心复杂的操控会让你望而却步？别担心，这本书的核心理念就是“快速上手”。我们将用最直观、最易懂的方式，引导你认识你的第一架四旋翼飞行器。从拆箱检查，到熟悉各个部件的功能，再到完成第一次的起飞准备，每一步都清晰明了。我们不会让你沉浸在冗长的技术术语中，而是用最贴近实际操作的语言，让你快速建立起对飞行器的基本认知。 从“零”到“飞”：循序渐进的实操指南 这本书的最大价值在于其高度的实用性。我们将飞行器操作分解为一个个可执行的、由易到难的步骤。 基础操控解析： 我们将详细讲解四旋翼飞行器的基本操控逻辑，包括如何理解和使用遥控器上的摇杆，掌握前进、后退、左移、右移、上升、下降、原地转向等基本动作。这些是你在空中自由飞行的基石。你将学会如何平稳地进行悬停，这是控制飞行器稳定性的关键一步，也是所有进阶操作的基础。 起飞与降落技巧： 第一次的起飞和降落，往往是最令人紧张的时刻。我们会提供详细的指导，告诉你如何选择合适的起飞场地，如何进行起飞前的检查，以及如何以最平稳、最安全的方式完成着陆。你将掌握“轻柔操作”的要诀，避免急促的动作，让你的飞行器像一片羽毛般优雅地升降。 空中姿态控制： 飞行不仅仅是直线移动，更是对飞行器在三维空间中姿态的精确控制。我们将带你学习如何应对风力干扰，如何进行小角度的俯仰和侧倾，以及如何在狭小空间内进行精确的转向。这些技巧将极大地提升你的飞行信心和操作精度。 安全飞行法则： 飞行器的安全至关重要。本书将重点强调安全飞行原则，包括了解飞行器的续航能力，避免在恶劣天气下飞行，熟悉禁飞区域，以及在紧急情况下的应对方法。安全意识的培养，将让你享受飞行乐趣的同时，也能最大程度地规避风险。 超越基础：探索飞行的更多可能 当你熟练掌握了基础操控后，这本书将带领你解锁更丰富的飞行体验。 镜头语言的艺术： 如今，许多四旋翼飞行器都配备了高清摄像头，这使得飞行不再仅仅是掌控物理空间，更是捕捉视觉世界的绝佳工具。我们将引导你如何利用飞行器进行航拍，学习基本的构图技巧，寻找最佳的拍摄角度，以及如何捕捉动态的画面。你会了解到，好的航拍作品，是技术与艺术的完美结合。 智能飞行模式的运用： 现代的四旋翼飞行器通常集成了多种智能飞行模式，如自动跟随、环绕飞行、航点规划等。我们将逐一解析这些模式的功能与应用场景，让你无需繁琐的手动操作，也能轻松实现复杂的飞行轨迹和创意拍摄。例如，学习如何设置跟随目标，让你的飞行器成为你运动时的“专属摄影师”；或者规划一条飞行路线，让它自动完成一系列的侦察或拍摄任务。 简单维护与保养： 飞行器的良好运行离不开日常的维护。我们将提供简单易懂的维护指南，教你如何检查螺旋桨的磨损情况，如何清洁机身，以及在电池保养方面需要注意的事项，确保你的飞行器始终保持最佳状态。 小技巧与大乐趣： 除了核心的操控和拍摄，我们还会分享一些实用的小技巧，比如如何优化遥控器信号，如何应对GPS信号不佳的情况，以及一些有趣的飞行游戏和挑战，让你在掌握技能的同时，也能充分体验飞行的乐趣。 你的空中冒险，从这里开始 这本书的编写，始终围绕着“让更多人轻松享受飞行乐趣”这一目标。我们相信，无论你是初次接触飞行器的新手，还是希望巩固和提升技能的爱好者，都能在这本书中找到所需。它不是一本冰冷的说明书，而更像是一位经验丰富的飞行导师，陪伴你从第一次心跳加速的起飞，到每一次自信的空中漫步。 准备好你的四旋翼飞行器，翻开这本书，让我们一起，将目光投向天空，开启属于你的精彩空中冒险之旅吧！在这里，你将学会的不仅仅是操控一架飞行器，更是掌握了一种全新的观察世界、表达创意的方式。天空，不再遥远，它将是你挥洒想象的舞台。

评分☆☆☆☆☆

我一直对科技发展充满了好奇，尤其是那些能够改变我们生活方式的新兴技术，四旋翼飞行器无疑是其中之一。接触《四旋翼飞行器快速上手》之前，我对飞行器只停留在“会飞”这个层面，对它的内部构造和飞行原理几乎是一无所知。然而，这本书却以一种非常吸引人的方式，为我打开了一扇新世界的大门。作者在书中对于不同类型四旋翼飞行器的介绍，让我对市面上琳琅满目的产品有了更清晰的认识，了解到它们在设计和功能上的差异。我特别喜欢书中关于“稳定系统”的讲解，它让我理解了为何无人机能够在空中如此平稳地飞行，这背后的传感器和控制算法真是太神奇了。而且，书中还涉及到了一些关于“智能飞行模式”的介绍，比如自动返航、定点环绕等，这些功能听起来就充满了未来感，也让我看到了四旋翼飞行器在各行各业的广阔应用前景，从农业植保到应急救援，再到娱乐摄影，它的潜力无穷。这本书不仅仅是教授飞行技巧，更是在激发我对这项技术的兴趣和思考。它让我意识到，原来掌握一项如此酷炫的技术，并没有想象中那么遥不可及。

评分☆☆☆☆☆

我一直对摄影和摄像有着浓厚的兴趣，近年来，随着四旋翼飞行器的普及，我愈发渴望能够利用这项技术来拓展我的创作视野。《四旋翼飞行器快速上手》这本书，恰恰满足了我对于“飞起来拍照”的无限憧憬。书中关于“飞行安全与技巧”的部分，是我最为关注的章节。作者详细地介绍了如何在不同的环境下进行安全飞行，比如在有障碍物的情况下如何规划航线，以及如何应对突发的风力变化。我特别喜欢书中关于“构图技巧”的建议，它将摄影的理念融入到无人机飞行中，教我如何利用空中视角捕捉令人惊艳的画面。书中提供的许多实操案例，更是让我受益匪浅，它们展示了如何通过精妙的飞行轨迹来拍摄动态的镜头，比如流畅的“跟随镜头”或者震撼的“航拍全景”。这本书并没有仅仅停留在技术层面，而是更深入地探讨了如何将飞行器作为一种创作工具，来表达艺术的理念。读完这本书，我感觉自己已经具备了将想法转化为视觉作品的能力，充满了创作的激情和信心。

评分☆☆☆☆☆

在购买《四旋翼飞行器快速上手》之前，我曾经尝试过阅读一些关于无人机的技术手册，但往往因为专业术语过多而感到望而却步。这本书的出现，彻底改变了我对技术类书籍的看法。作者采用了极其人性化的写作风格，将复杂的飞行控制算法以一种非常直观易懂的方式呈现出来。我印象最深刻的是关于“PID控制器”的讲解，书中用了非常生动的比喻，将它比作一个精密的“管家”，时刻监测着飞行器的状态并进行微调，以保证飞行的平稳。这让我这个完全没有工程背景的人，也能大致理解其原理。而且，书中对于遥控器操作的学习曲线也进行了详细的剖析，列举了许多新手常犯的错误，并提供了纠正方法，这对于我来说是非常宝贵的经验。我甚至觉得，这本书不仅仅是教你如何操作，更是在培养你对飞行器“直觉”的感知。它让你在阅读的过程中，仿佛已经置身于驾驶舱，能够提前预判和应对各种飞行状况。这本书的语言风格非常轻松幽默，读起来丝毫不会感到枯燥，反而充满了探索的乐趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我眼前一亮！我一直对四旋翼飞行器充满了好奇，但又觉得它们的操作复杂难懂，总以为是工程师的专利。直到我翻开了《四旋翼飞行器快速上手》，这种想法才被彻底颠覆。书的开篇就以一种非常接地气的方式，深入浅出地介绍了四旋翼飞行器的基本原理，就像是给我这个门外汉打了一剂强心针。我特别喜欢作者用日常的例子来类比复杂的空气动力学概念，比如螺旋桨的旋转如何产生升力，就像风扇吹动空气一样简单易懂。而且，书中并没有一开始就陷入晦涩的技术术语，而是循序渐进，先从最基础的结构入手，让我了解每个部件的作用，例如为什么要有四个螺旋桨，它们如何协同工作来控制飞行。我印象最深刻的是关于飞行姿态控制的部分，作者用非常形象的语言描述了俯仰、滚转和偏航这三个基本动作，并且用图解的方式清晰地展示了每个动作是如何通过改变螺旋桨转速来实现的。这让我一下子就明白了，原来那些高难度的飞行动作背后，是如此巧妙的设计和简单的物理原理。这本书的优点在于，它并没有把我淹没在技术细节中，而是让我能够快速建立起对四旋翼飞行器整体运作的认知，为后续的学习打下了坚实的基础。我迫不及待地想了解更多关于遥控和飞行控制的内容了！

评分☆☆☆☆☆

作为一名对航拍和无人机技术充满热情的爱好者，我一直在寻找一本能够让我迅速掌握四旋翼飞行器操作技巧的书籍。《四旋翼飞行器快速上手》绝对没有让我失望，甚至可以说远远超出了我的预期。这本书的实用性简直是满分！它并没有过多地纠缠于理论知识，而是将重点放在了如何让读者“飞起来”。我尤其欣赏书中关于起飞、悬停和降落的详细步骤讲解，每一个环节都分解得非常细致，配有清晰的插图，让我能够一步步跟着操作。我记得我第一次拿到无人机的时候，心里其实是有点忐忑的，生怕自己操作不当造成损坏。但是，这本书的指导让我信心倍增。它不仅告诉我“怎么做”，还告诉我“为什么这么做”，比如在起飞前检查电池的重要性，以及在不同天气条件下需要注意的事项。更让我惊喜的是，书中还涉及了一些基础的飞行安全和法规知识，这对于我这样新手来说至关重要，让我能够合法合规地享受飞行的乐趣。书中对于一些常见的飞行障碍和应对方法的介绍也非常到位，仿佛提前预料到了我可能遇到的问题，并给出了解决方案。读完这本书，我感觉自己已经能够自信地操控四旋翼飞行器进行一些基本的飞行任务了，这对于一本“快速上手”的书籍来说，是极其难得的成就感。