智能機器人控制系統(tǒng)設計教程：多旋翼無人機系統(tǒng)

目錄
基礎篇
第1章 智能機器人緒論 3
1.1 定義 3
1.2 歷史 4
1.3 分類和應用 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 習題 21
第2章 坐標變換的原理和方法 23
2.1 矢量運算與矩陣運算的關系 23
2.2 坐標變換 24
2.2.1 坐標變換矩陣 24
2.2.2 坐標變換矩陣的傳遞特性 25
2.2.3 基元變換矩陣 26
2.2.4 坐標變換的一般情況 26
2.2.5 由兩矢量的分量列陣求坐標變換矩陣 29
2.3 坐標系旋轉(zhuǎn)的效應 30
2.3.1 在旋轉(zhuǎn)坐標系中矢量的導數(shù) 30
2.3.2 變換矩陣的變化率 31
2.4 習題 34
第3章 四元數(shù)理論及應用 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 37
3.3 用四元數(shù)表示坐標系的旋轉(zhuǎn) 39
3.4 由四元數(shù)構(gòu)成坐標變換矩陣 40
3.5 三個或更多坐標系的關系 41
3.6 以四元數(shù)表示的運動學方程 44
3.7 習題 47
設計篇
第4章 飛行機器人的運動學方程 51
4.1 基本假設與速度三角形 51
4.2 坐標系和運動變量定義 52
4.3 質(zhì)心運動方程 55
4.3.1 一般形式 55
4.3.2 在地理坐標系中的運動方程 59
4.3.3 在機體坐標系中的運動方程 59
4.4 旋轉(zhuǎn)運動 59
4.4.1 旋轉(zhuǎn)的運動學方程 59
4.4.2 姿態(tài)表示和運動學方程的多種方式討論 65
4.5 習題 65
第5章 飛行機器人的動力系統(tǒng)建模 67
5.1 飛行機器人氣動布局 67
5.2 總體描述 68
5.2.1 動力系統(tǒng) 68
5.2.2 求解懸停時間 72
5.3 飛行機器人動力系統(tǒng)模型 73
5.3.1 螺旋槳模型 73
5.3.2 電機模型 75
5.3.3 電調(diào)模型 76
5.3.4 電池模型 77
5.4 動力系統(tǒng)性能計算與實驗驗證 77
5.5 習題 82
第6章 飛行機器人姿態(tài)測量 83
6.1 空氣動力學參數(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 飛行機器人位置測量 95
6.4.1 飛行機器人的定位 95
6.4.2 無線電測距 96
6.5 習題 97
第7章 飛行機器人姿態(tài)估計 99
7.1 空氣動力學參數(shù)的估計 99
7.2 慣性量、方向角、位置估計 102
7.3 位姿估計器設計 108
7.4 習題 111
第8章 飛行機器人PID 控制器設計 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 121
8.4 串級PID 控制器 125
8.5 飛行機器人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 習題 129
第9章 飛行機器人懸停穩(wěn)定控制 131
9.1 飛行機器人懸停穩(wěn)定控制算法設計 131
9.1.1 PID 算法 131
9.1.2 LQG 算法 133
9.2 飛行機器人懸停穩(wěn)定控制的實驗平臺 137
9.2.1 飛行機器人懸停實時控制系統(tǒng) 137
9.2.2 飛行機器人懸停穩(wěn)定控制實驗結(jié)果 141
9.3 習題 147
實踐篇
第10章 飛行機器人控制器硬件系統(tǒng)設計 151
10.1 控制器需求分析 151
10.2 整體設計 152
10.3 主控系統(tǒng)設計 153
10.4 電源管理系統(tǒng)設計 158
10.4.1 整體設計 158
10.4.2 主控系統(tǒng)電源設計 162
10.4.3 USB 電源設計 162
10.4.4 動力系統(tǒng)電源設計 162
10.4.5 備用電源設計 163
10.5 姿態(tài)測量系統(tǒng)設計 164
10.5.1 俯仰、偏航、翻滾角度測量設計 164
10.5.2 速度、加速度測量設計 165
10.5.3 位置測量設計 166
10.6 通信系統(tǒng)設計 167
10.7 Pixhawk 硬件設計實例 171
10.8 習題 176
第11章 飛行機器人控制器軟件系統(tǒng)設計 177
11.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)與NuttX 實時系統(tǒng) 177
11.1.1 整體架構(gòu) 177
11.1.2 NuttX 系統(tǒng)設計 177
11.1.3 μORB 對象模型設計 180
11.2 飛行控制棧設計與實現(xiàn) 183
11.3 飛行控制算法設計與實現(xiàn) 185
11.3.1 PID 速度位置雙閉環(huán)控制設計與實現(xiàn) 185
11.3.2 自抗擾算法設計與實現(xiàn) 187
11.3.3 模糊自適應姿態(tài)控制算法設計與實現(xiàn) 188
11.4 Pixhawk 軟件設計實例 188
11.5 習題 191
第12章 飛行機器人仿真 193
12.1 基礎仿真 193
12.1.1 環(huán)境搭建 193
12.1.2 MATLAB 飛行機器人仿真平臺 210
12.2 Gazebo 仿真 212
12.3 HITL 仿真 215
12.4 ROS 接口 218
12.5 習題 221
第13章 飛行機器人HMI 系統(tǒng)設計實例 223
13.1 功能設計 223
13.1.1 用戶操作層的設計 224
13.1.2 數(shù)據(jù)通信層的設計 229
13.1.3 數(shù)據(jù)管理層的設計 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 習題 254
參考文獻 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