智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程：多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)

目錄
基礎(chǔ)篇
第1章 智能機(jī)器人緒論 3
1.1 定義 3
1.2 歷史 4
1.3 分類和應(yīng)用 9
1.4 近年來的研究和發(fā)展 17
1.5 未來研究和發(fā)展 19
1.6 習(xí)題 21
第2章 坐標(biāo)變換的原理和方法 23
2.1 矢量運(yùn)算與矩陣運(yùn)算的關(guān)系 23
2.2 坐標(biāo)變換 24
2.2.1 坐標(biāo)變換矩陣 24
2.2.2 坐標(biāo)變換矩陣的傳遞特性 25
2.2.3 基元變換矩陣 26
2.2.4 坐標(biāo)變換的一般情況 26
2.2.5 由兩矢量的分量列陣求坐標(biāo)變換矩陣 29
2.3 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的效應(yīng) 30
2.3.1 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中矢量的導(dǎo)數(shù) 30
2.3.2 變換矩陣的變化率 31
2.4 習(xí)題 34
第3章 四元數(shù)理論及應(yīng)用 35
3.1 四元數(shù)的定義和性質(zhì) 35
3.2 以四元數(shù)表示剛體的有限轉(zhuǎn)動(dòng) 37
3.3 用四元數(shù)表示坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn) 39
3.4 由四元數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)變換矩陣 40
3.5 三個(gè)或更多坐標(biāo)系的關(guān)系 41
3.6 以四元數(shù)表示的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 44
3.7 習(xí)題 47
設(shè)計(jì)篇
第4章 飛行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 51
4.1 基本假設(shè)與速度三角形 51
4.2 坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)變量定義 52
4.3 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程 55
4.3.1 一般形式 55
4.3.2 在地理坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程 59
4.3.3 在機(jī)體坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程 59
4.4 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 59
4.4.1 旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 59
4.4.2 姿態(tài)表示和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的多種方式討論 65
4.5 習(xí)題 65
第5章 飛行機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)建模 67
5.1 飛行機(jī)器人氣動(dòng)布局 67
5.2 總體描述 68
5.2.1 動(dòng)力系統(tǒng) 68
5.2.2 求解懸停時(shí)間 72
5.3 飛行機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)模型 73
5.3.1 螺旋槳模型 73
5.3.2 電機(jī)模型 75
5.3.3 電調(diào)模型 76
5.3.4 電池模型 77
5.4 動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 77
5.5 習(xí)題 82
第6章 飛行機(jī)器人姿態(tài)測量 83
6.1 空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)測量 83
6.1.1 飛行高度測量 83
6.1.2 空速測量 84
6.1.3 俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的測量 85
6.2 飛行機(jī)器人慣性量測量 87
6.2.1 加速度測量 87
6.2.2 角速度測量 91
6.3 飛行機(jī)器人方位角測量 93
6.3.1 航向陀螺儀測量 93
6.3.2 陀螺磁羅盤測量 94
6.4 飛行機(jī)器人位置測量 95
6.4.1 飛行機(jī)器人的定位 95
6.4.2 無線電測距 96
6.5 習(xí)題 97
第7章 飛行機(jī)器人姿態(tài)估計(jì) 99
7.1 空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的估計(jì) 99
7.2 慣性量、方向角、位置估計(jì) 102
7.3 位姿估計(jì)器設(shè)計(jì) 108
7.4 習(xí)題 111
第8章 飛行機(jī)器人PID 控制器設(shè)計(jì) 113
8.1 PID 的形式及其表示法 113
8.1.1 模擬PID 控制 113
8.1.2 數(shù)字PID 控制 114
8.2 PID 控制的局限 117
8.3 PID 算法的改進(jìn) 121
8.4 串級(jí)PID 控制器 125
8.5 飛行機(jī)器人PID 參數(shù)調(diào)試 126
8.5.1 PID 控制中各參數(shù)的作用 126
8.5.2 PID 參數(shù)調(diào)試的模型建立 127
8.5.3 PID 參數(shù)的調(diào)試步驟 128
8.6 習(xí)題 129
第9章 飛行機(jī)器人懸停穩(wěn)定控制 131
9.1 飛行機(jī)器人懸停穩(wěn)定控制算法設(shè)計(jì) 131
9.1.1 PID 算法 131
9.1.2 LQG 算法 133
9.2 飛行機(jī)器人懸停穩(wěn)定控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 137
9.2.1 飛行機(jī)器人懸停實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) 137
9.2.2 飛行機(jī)器人懸停穩(wěn)定控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果 141
9.3 習(xí)題 147
實(shí)踐篇
第10章 飛行機(jī)器人控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 151
10.1 控制器需求分析 151
10.2 整體設(shè)計(jì) 152
10.3 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 153
10.4 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 158
10.4.1 整體設(shè)計(jì) 158
10.4.2 主控系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 162
10.4.3 USB 電源設(shè)計(jì) 162
10.4.4 動(dòng)力系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 162
10.4.5 備用電源設(shè)計(jì) 163
10.5 姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 164
10.5.1 俯仰、偏航、翻滾角度測量設(shè)計(jì) 164
10.5.2 速度、加速度測量設(shè)計(jì) 165
10.5.3 位置測量設(shè)計(jì) 166
10.6 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 167
10.7 Pixhawk 硬件設(shè)計(jì)實(shí)例 171
10.8 習(xí)題 176
第11章 飛行機(jī)器人控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 177
11.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)與NuttX 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 177
11.1.1 整體架構(gòu) 177
11.1.2 NuttX 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 177
11.1.3 μORB 對象模型設(shè)計(jì) 180
11.2 飛行控制棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 183
11.3 飛行控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 185
11.3.1 PID 速度位置雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 185
11.3.2 自抗擾算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 187
11.3.3 模糊自適應(yīng)姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 188
11.4 Pixhawk 軟件設(shè)計(jì)實(shí)例 188
11.5 習(xí)題 191
第12章 飛行機(jī)器人仿真 193
12.1 基礎(chǔ)仿真 193
12.1.1 環(huán)境搭建 193
12.1.2 MATLAB 飛行機(jī)器人仿真平臺(tái) 210
12.2 Gazebo 仿真 212
12.3 HITL 仿真 215
12.4 ROS 接口 218
12.5 習(xí)題 221
第13章 飛行機(jī)器人HMI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 223
13.1 功能設(shè)計(jì) 223
13.1.1 用戶操作層的設(shè)計(jì) 224
13.1.2 數(shù)據(jù)通信層的設(shè)計(jì) 229
13.1.3 數(shù)據(jù)管理層的設(shè)計(jì) 230
13.2 架構(gòu)及編程語言 230
13.3 軟件開發(fā)與調(diào)試 231
13.3.1 用戶操作層開發(fā)與調(diào)試 231
13.3.2 數(shù)據(jù)通信模塊開發(fā)與調(diào)試 248
13.3.3 數(shù)據(jù)管理模塊開發(fā)與調(diào)試 249
13.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與優(yōu)化 251
13.5 習(xí)題 254
參考文獻(xiàn) 255
附錄 參考答案 257
第1章 參考答案 257
第2章 參考答案 258
第3章 參考答案 259
第4章 參考答案 260
第5章 參考答案 261
第6章 參考答案 262
第7章 參考答案 263
第8章 參考答案 264
第9章 參考答案 265
第10章 參考答案 266
第11章 參考答案 267
第12章 參考答案 268
第13章 參考答案 269