隨著集成電路、微控制器以及微機電技術的發展
，多旋翼無人飛行器的控制技術得到了蓬勃的發展。
隨著大疆、派諾特、3DR等國內外一繫列無人機公司
推出針對普通大眾的消費級無人機產品，無人機作為
一個普通消費應用也得到了大眾的認可和接受，越來
越多的工程技術人員將多旋翼無人飛行器作為一個經
典的控制繫統來進行學習和研究。林慶峰、諶利、奚
海蛟編著的《多旋翼無人飛行器嵌入式飛控開發指南
(嵌入式與工業控制技術高等學校電子信息類專業繫
列教材)》主要圍繞多旋翼無人機的飛控繫統設計，
從嵌入式的基礎知識開始，深入淺出地介紹了無人機
的基本知識和硬件構成，重點介紹了無人機的飛控繫
統原理、基礎和開發流程，針對飛行器繫統的狀態解
算介紹了幾種不同的解算方法，並給出相應的實際代
碼例程。本書從各方面對無人機繫統的設計進行闡述
，並提供了前沿的知識和信息，既有初學者希望了解
的基礎知識，也有行業研究者所希望深入了解的算法
分析，以及室內定位SLAM原理等。
除了正文部分，本書還提供了豐富的附錄，包括
四旋翼無人機的組裝、無刷電機與電調的相關知識、
無人機實驗室的相關研發調試設備，以及業界流行的
開源飛控的相關知識，甚至包括無人機的相關應用，
讓讀者能夠更全面地熟悉和了解整個無人機行業的生
態繫統。
本書特別適合作為高等院校自動化、計算機、電
子工程等相關專業“多旋翼無人飛行器設計”課程的
教材，也可供從事嵌入式繫統開發與應用的工程技術
人員參考。

第1章 多旋翼無人機基礎知識
1.1 無人機的介紹
1.2 無人機的分類與管理
1.3 無人機與航空模型的區別
1.4 多旋翼無人機的發展歷史
1.5 多旋翼無人機的組成
1.5.1 機架繫統
1.5.2 動力繫統
1.5.3 動力電源與充電繫統
1.5.4 電子調速器
1.5.5 飛行控制繫統
1.5.6 遙控器和遙控接收機
1.5.7 遙測鏈路數傳繫統
1.5.8 光流定位繫統
1.5.9 **衛星導航繫統
1.5.10 高度計
1.5.11 導航繫統
1.5.12 無線圖傳繫統
1.5.13 地面站控制繫統
1.5.14 任務載荷雲臺和攝像頭
1.5.15 避障繫統
1.5.16 虛擬現實和增強現實繫統
1.6 多旋翼飛行器的結構和飛行原理
1.6.1 多旋翼飛行器的機身布局
1.6.2 多旋翼飛行器的旋翼結構
1.6.3 多旋翼飛行器的飛行原理
1.6.4 多旋翼的優缺點
1.7 開源飛控簡介
第2章 飛行控制繫統核心硬件
2.1 ARMCortex-M4架構
2.1.1 ARM內核
2.1.2 Cortex-M4內核
2.1.3 以ARMCortex-M4為核心的微控制器
2.2 STM32F4繫列微控制器
2.3 飛行控制繫統硬件架構設計與原理
2.3.1 遙控接收機接口
2.3.2 電調輸出接口
2.3.3 傳感器接口
2.3.4 GNSS接口
2.3.5 SWD調試口
2.3.6 超聲波接口
2.3.7 繫統供電
2.3.8 遙測數傳
2.3.9 其他功能和擴展接口
2.4 “光標”飛控PCB的布局設計
2.5 飛控繫統硬件設計注意事項
第3章 嵌入式實時操作繫統和FreeRTOS
3.1 實時操作繫統簡介
3.1.1 實時操作繫統的定義
3.1.2 實時操作繫統的特征
3.2 實時操作繫統在飛控繫統中的重要性
3.3 FreeRTOS實時操作繫統
3.3.1 FreeRTOS簡介
3.3.2 FreeRTOS的特點
3.3.3 FreeRTOS架構概述
3.4 調度策略
3.4.1 FreeRTOS支持的調度方式
3.4.2 調度器簡介
3.4.3 搶占式調度器
3.4.4 時間片調度器
3.5 任務及任務優先級
3.5.1 任務和協程(Co-routines)
3.5.2 任務狀態
3.5.3 任務優先級
3.5.4 任務優先級分配方案
3.6 任務間通信——信號量
3.6.1 信號量的概念及其作用
3.6.2 FreeRTOS任務間計數信號量的實現
3.6.3 FreeRTOS中斷方式計數信號量的實現
3.6.4 計數信號量API函數
3.7 任務間通信—消息隊列
3.7.1 消息隊列的概念及其作用
3.7.2 FreeRTOS任務間消息隊列的實現
3.7.3 FreeRTOS中斷方式消息隊列的實現
3.7.4 消息隊列API函數
3.8 任務間通信——互斥信號量
3.8.1 互斥信號量的概念及其作用
3.8.2 優先級翻轉問題
3.8.3 FreeRTOS互斥信號量的實現
3.8.4 互斥信號量API函數
3.9 飛控繫統的任務規劃與5環控制
第4章 飛行控制繫統的定時器
4.1 STM32F407的繫統時鐘配置
4.1.1 STM32F4的繫統時鐘樹
4.1.2 STM32F4的繫統時鐘初始化
4.1.3 STM32F4的繫統時鐘使能和配置
4.2 ST微控制器的定時器模塊
4.2.1 **控制定時器(Advanced-controlTimers)
4.2.2 通用定時器(General-purposeTimers)
4.2.3 基本定時器(BasicTimers)
4.3 任務調度定時器
4.4 遙控器PWM編碼和定時器輸入捕獲
4.5 電子調試器的輸出控制PWM和定時器輸出比較模式
第5章 飛控繫統的傳感器
5.1 飛控繫統的傳感器
5.2 ST微控制器的I2C驅動
5.2.1 I2C簡介
5.2.2 I2C驅動在STM32中的硬件實現
5.2.3 I2C驅動在STM32中的軟件實現
5.3 加速度計的原理和測量信息
5.3.1 加速度計的原理
5.3.2 加速度計的測量信息
5.4 加速度計原始數據采集、校準和濾波
5.4.1 加速度計原始數據采集
5.4.2 加速度計校準
5.5 陀螺儀的原理和測量信息
5.5.1 陀螺儀的原理
5.5.2 陀螺儀的測量信息
5.6 陀螺儀的原始數據采集、校準和濾波
5.6.1 陀螺儀原始數據采集
5.6.2 陀螺儀校準
5.6.3 加速度計與陀螺儀的濾波
5.7 磁力計的工作原理和測量信息
5.7.1 磁力計的原理
5.7.2 磁力計的測量信息
5.8 磁力計的原始數據采集、校準和濾波
5.8.1 磁力計原始數據采集
5.8.2 磁力計校準
5.8.3 磁力計的濾波
5.9 超聲波傳感器簡介
5.9.1 超聲波傳感器原理
5.9.2 超聲波傳感器簡介
5.10 超聲波傳感器的數據采集驅動和濾波
5.10.1 超聲波傳感器數據采集驅動
5.10.2 超聲波傳感器的濾波
5.11 氣壓傳感器簡介
5.12 氣壓傳感器的數據采集驅動
5.13 激光測距測高傳感器
5.14 視覺傳感器
5.14.1 光流
5.14.2 視覺裡程計
第6章 狀態估計
6.1 組合導航
6.2 飛行器的坐標繫
6.3 方向餘弦矩陣和歐拉角
6.3.1 方向餘弦矩陣
6.3.2 姿態與歐拉角
6.3.3 歐拉角的定軸轉動表示矩陣
6.4 四元數
6.4.1 四元數的定義
6.4.2 四元數與旋轉的關繫
6.5 四元數的姿態估計
6.6 卡爾曼濾波
6.7 擴展卡爾曼濾波
6.8 幾種算法的總結比較
第7章 線性控制繫統PID控制算法
7.1 控制理論與PID線性控制繫統原理
7.1.1 比例控制
7.1.2 積分控制
7.1.3 微分控制
7.2 飛控算法PID框架設計
7.3 飛控算法外環PID實現
7.4 飛控算法內環PID實現
7.5 信號濾波
7.5.1 移動平滑濾波
7.5.2 FIR濾波
7.5.3 IIR濾波
7.6 PID參數的調試
7.6.1 飛控的PID參數
7.6.2 調試步驟
第8章 油門和高度控制
8.1 油門輸入曲線
8.2 油門解鎖功能
8.3 油門權重分配和電調輸出
8.4 高度控制
第9章 自**航繫統
9.1 自**航概述
9.2 室內定位
9.2.1 室內定位技術
9.2.2 視覺導航
9.2.3 SLAM簡介
9.2.4 視覺SLAM閉環檢測與後端優化
9.3 室外GPS定位和NEMA實現
9.3.1 GPS定位繫統的基本工作原理
9.3.2 單點定位
9.3.3 相對定位
9.3.4 差分定位
9.3.5 GPS標準協議NEMA
9.4 航路規劃
9.4.1 航線規劃
9.4.2 軌跡規劃
9.5 SINS/GPS組合導航的模型和算法
9.5.1 SINS和GPS接收機的誤差模型
9.5.2 SINS/GPS松組合的狀態方程和量測方程
9.5.3 SINS/GPS緊組合的狀態方程和量測方程
9.5.4 方程離散化和卡爾曼濾波
9.6 避障繫統
9.6.1 避障使用的傳感器
9.6.2 避障算法
9.6.3 避障過程中存在的問題
**0章 遙測數傳通信鏈路
10.1 通用數傳模塊分類及其性能
10.1.1 無人機數傳模塊簡介
10.1.2 調制方式的劃分
10.1.3 傳輸距離及其影響因素
10.2 ST微控制器的串口通信和數傳模塊硬件接口
10.2.1 ST微控制器的串口通信
10.2.2 數傳模塊的硬件接口
10.3 簡單通信信源編碼協議及其實現
10.3.1 信源編碼
10.3.2 串口通信協議
10.4 MAVLink協議實現
10.4.1 MAVLink協議簡介
10.4.2 MAVLink數據包結構
10.4.3 MAVLink消息幀講解
10.4.4 MAVLink消息幀發送與解析
10.5 地面站數據接收與數據解析
10.5.1 PC端地面站數據采集與存儲
10.5.2 Android地面站數據接收
10.5.3 Android地面站數據存儲與分析
**1章 其他輔助功能
11.1 參數存儲、在線*新與加載
11.2 調試LED
11.3 失控保護功能
11.4 手機WiFi控制
11.5 手機藍牙控制
11.6 **人稱視角FPV控制
11.6.1 FPV的定義
11.6.2 FPV的設備組成
11.6.3 FPV眼鏡與VR眼鏡的區別
11.7 無人機應用領域
11.7.1 拍照攝影
11.7.2 植保無人機
11.7.3 電力巡檢
11.7.4 環保領域的應用
**2章 基於STM32F4的基礎程序開發
12.1 處理器STM32F4簡介
12.1.1 繫統總線
12.1.2 繫統接口
12.2 開發環境簡介
12.2.1 軟件安裝
12.2.2 工程創建
12.2.3 軟件介紹
12.2.4 程序調試
12.3 STM32固件庫
12.3.1 固件庫介紹
12.3.2 固件庫移植
12.4 LED顯示
12.4.1 硬件設計
12.4.2 軟件設計
12.4.3 實驗現像
12.5 USART串口的使用
12.5.1 硬件設計
12.5.2 軟件設計
12.5.3 實驗現像
12.6 ADC模數轉換器
12.6.1 軟件設計
12.6.2 實驗現像
12.7 定時器中斷
12.7.1 定時器中斷的原理
12.7.2 軟件設計
12.7.3 實驗現像
12.8 FreeRTOS實時操作繫統簡介
12.8.1 FreeRTOS基礎應用
12.8.2 FreeRTOS實例
12.8.3 實驗現像
12.9 FreeRTOS操作EEPROM
12.9.1 程序設計
12.9.2 實驗現像
12.10 FreeRTOS操作MPU6050
12.10.1 軟件設計
12.10.2 實驗現像
12.11 FreeRTOS操作磁力計
12.11.1 軟件設計
12.11.2 實驗現像
12.12 FreeRTOS操作氣壓計
12.12.1 軟件設計
12.12.2 實驗現像
附錄A F450四旋翼飛行器DIY組裝流程
A.1 材料清單
A.2 焊接電機
A.3 機架的安裝
A.4 飛控模塊安裝
A.5 電調行程校準
A.6 電調、遙控接收機、數傳模塊與飛控的連接
A.7 遙控操作說明
A.8 圖傳繫統連接
附錄B 無刷電機與電子調速器介紹
B.1 無刷直流電機
B.2 電子調速器換相的相關知識
B.3 電調啟動頻率
附錄C 無人機實驗室研發調試設備
C.1 FH550四旋翼無人機研發繫統
C.2 應用級無人機繫統
C.3 **航拍數字圖傳繫統
C.4 便攜式地面測控站繫統
C.5 **飛行器3自由度姿態算法驗證繫統
C.6 **飛行器動力繫統扭矩測量繫統
C.7 **飛行器動力繫統拉力測量繫統
C.8 微機電傳感器測量校準平臺
C.9 工業級數據處理中心
附錄D 電子羅盤橢球校準算法代碼實例
參考文獻