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本书系统论述了四旋翼飞行器的基本原理，基本控制方法，本书从四旋翼飞行器的遥控器设计、四旋翼飞行器核心板设计以及陀螺仪、气压计等相关电路的设计和原理讲解，从零开始一点一点实现四旋翼飞行器的设计，同时还给出了上位机的软件代码，项目都提供了全部源代码，可直接拿来二次开发，用于课程设计或科研项目。本书配套提供了全部设计源代码、设计图纸及演示视频，方便读者学习使用，提供了学习交流QQ群（185156135），欢迎读者参与进来，和广大的STM32爱好者共同学习，及时解决设计中遇到的问题。

内容简介

四轴飞行器是一种无人飞行器，也是一种智能机器人，“四轴”指飞行器的动力由4个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代控制技术，使用电机代替油动力引擎进行四轴飞行器控制研究。本书利用主流控制器STM32系列微处理器平台，从设计的方案论证、器件选型、代码调试的全过程对四轴飞行器设计透彻细致地讲解，读者可以根据书中给出的电路和代码自行设计。本书可作为电子、通信及控制等相关专业的参考书，也可以作为相关技术人员的技术参考书。

作者简介

冯新宇，从事嵌入式系统项目开发和相关教学工作。曾主持或参与嵌入式相关课题与项目开发20余项；近10年来一直作为指导教师参与全国电子设计大赛、飞思卡尔电子设计大赛、黑龙江省电子设计大赛等工作，所指导的学生多次获得各种赛事重大奖励。个人代表性著作有《ADS2009射频电路设计与仿真》《ARM 9嵌入式开发基础与实例进阶》与《ARM Cortex-M3体系结构与编程》）。

目录

第1章简介

1.1四旋翼飞行器发展历史

1.2四旋翼飞行器的研究现状

1.3四旋翼飞行器的主要应用

第2章四旋翼飞行器的控制原理

2.1四旋翼飞行器的结构

2.2四旋翼飞行器的运动控制方法

2.3四旋翼飞行器各部分的工作原理

2.3.1飞行姿态与升力关系

2.3.2飞行姿态的测量

2.3.3加速度传感器工作原理及角度测量

2.3.4陀螺仪传感器工作原理及角度测量

2.3.5磁力计传感器工作原理及测量方法

2.4姿态解算方法

2.4.1互补滤波算法

2.4.2卡尔曼滤波算法

2.4.3DMP姿态数据获取

2.5PID控制算法

2.5.1PID概述

2.5.2四轴飞行器PID控制器设计

第3章硬件设计

3.1协议预备知识

3.1.1SPI总线

3.1.2I2C总线

3.1.3USART总线

3.2总体设计

3.2.1遥控器电路基本框架

3.2.2飞行器主控电路基本框架

3.3飞行器主控电路*小系统设计

3.3.1基本原理

3.3.2硬件电路设计

3.4姿态传感器模块

3.4.1基本原理

3.4.2硬件电路设计

3.5无线通信模块

3.5.1基本原理

3.5.2硬件电路设计

3.6定高模块

3.6.1超声波定高模块

3.6.2气压计定高模块

3.7电机及驱动模块

3.7.1基本原理

3.7.2硬件电路设计

3.8遥控器模块设计

3.8.1基本原理

3.8.2硬件电路设计

3.9电源模块选择

3.10四轴飞行器的组装

3.10.1电机、浆、电池、机型的相互关系

3.10.2机架的组装

第4章软件设计

4.1软件预备知识

4.1.1刚体的空间角位置描述

4.1.2用欧拉角描述定点转动刚体的角位置

4.1.3四元数

4.1.4控制与滤波算法

4.2主控程序初始化设置及说明

4.2.1SPI的I/O口初始化实现

4.2.2IIC的I/O口初始化实现

4.2.3定时器初始化实现

4.2.4电子调速器初始化实现

4.3姿态传感器软件设计

4.3.1软件设计基本思路

4.3.2DMP

4.3.3代码实现及解析

4.4气压计软件设计

4.4.1软件设计基本思路

4.4.2代码实现及解析

4.4.3自主高度控制的实现

4.5遥控器软件设计

4.5.1软件设计基本思路

4.5.2无线模块代码实现及解析

4.5.3摇杆代码实现及解析

4.6摄像头软件设计

4.6.1软件设计基本思路

4.6.2摄像头的数据读取

4.6.3摄像头的数据处理

4.7上位机设计

4.7.1帧头检测模块

4.7.23D模型路径模块

4.7.33D模型属性设置模块

4.7.4陀螺仪3D数据显示模块

第5章调试、问题解析及改进方向随想

附录ASTM32F4*小系统电路图

附录B遥控器电路

附录C飞控板连接电路

参考文献

前言/序言

　　无人直升机，即旋转翼无人机。从20世纪50年代出现至今，它的发展较为缓慢，但是，随着与其相关技术的发展和应用，无人机飞行器领域迎来了革命性的巨变，其中无人直升机的研究和发展也迎来了一个全新的时代。无人直升机的功能越来越全面，体积越来越小，在军事领域和民用领域共同发展。

　　本书的写作初衷是2015年的全国电子设计大赛和学生选择了飞控类的题目，把我们参加比赛制作的过程做了一个记录。比赛后，经过增加一些功能，PCB的全部设计制作，四轴飞行器飞控相对地稳定。结合实验室的一些项目，把上位机等相关的内容添加进来，斗胆把自己的一些心得写成一本书和大家分享。

　　本书是按照无人机制作顺序来写的，更像是一本内容多一些的论文。个人觉得本书与其他众多书籍最大的不同是，上位机软件设计和操作手柄设计没有使用现有的成品。这么做是为了达到实践和锻炼的目的，特别是针对电子类相关专业的本科生。如果学生能照着做一个，调试出来，就能学到很多知识。例如，利用LabVIEW学习上位机软件设计，对于非计算机专业的学生还是挺实用的。

　　本书中核心设计的内容应该是姿态数据的获取和处理，采用了DMP实现解算。稍后笔者编写的代码会发布在QQ群内和广大的程序爱好者一起研究和完善。互联网有很多优秀开源的代码，读者只要认真地熟读一个完整代码，其他的问题就会迎刃而解。入门的过程较难，特别是对于大学二年级与三年级的学生，需要自学的东西较多。

　　本书完成得匆忙，很多东西加工得不是很细致，留个QQ群号，方便读者交流学习，QQ群：185156135。本书的很多素材、资料都是来源于一些知名网络论坛和优秀的参考书，这里一并感谢！感谢黑龙江科技学院电子技术实验室支持我的同学和同事。

　　由于时间仓促，书中难免存在不足之处，欢迎读者批评指正。

　　编者

　　2017年4月

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