智能機器人控制系統設計教程：多旋翼無人機系統（簡體書）

《智能機器人控制系統設計教程：多旋翼無人機系統》是根據自動化專業工程教育專業認證、新工科建設等需求而編寫的，旨在提高學生在機器人控制系統設計方面的能力，進而培養學生解決複雜工程問題的能力。《智能機器人控制系統設計教程：多旋翼無人機系統》以多旋翼飛行器為對象，《智能機器人控制系統設計教程：多旋翼無人機系統》分為3部分，共13章。其中，基礎篇由第1～3章組成，主要講解機器人控制系統涉及的數學基礎及其基本要點。設計篇包括第4～9章，詳細介紹多旋翼飛行器的運動學方程、動力系統建模、姿態測量、姿態估計、控制器設計與穩定控制。實踐篇為第10～13章，以Pixhawk飛控系統為例，從控制器硬件系統設計、軟件設計、仿真與實驗四方面進行詳細的闡述，使讀者能夠快速地掌握多旋翼飛行器控制系統的開發思路、設計步驟及解決方案等。

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 近年來的研究和發展 17



1.5 未來研究和發展 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係 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 坐標系旋轉的效應 30



2.3.1 在旋轉坐標系中矢量的導數 30



2.3.2 變換矩陣的變化率 31



2.4 習題 34



第3章 四元數理論及應用 35



3.1 四元數的定義和性質 35



3.2 以四元數表示剛體的有限轉動 37



3.3 用四元數表示坐標系的旋轉 39



3.4 由四元數構成坐標變換矩陣 40



3.5 三個或更多坐標系的關係 41



3.6 以四元數表示的運動學方程 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 旋轉運動 59



4.4.1 旋轉的運動學方程 59



4.4.2 姿態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建模 67



5.1 飛行機器人氣動佈局 67



5.2 總體描述 68



5.2.1 動力系統 68



5.2.2 求解懸停時間 72



5.3 飛行機器人動力系統模型 73



5.3.1 螺旋槳模型 73



5.3.2 電機模型 75



5.3.3 電調模型 76



5.3.4 電池模型 77



5.4 動力系統性能計算與實驗驗證 77



5.5 習題 82



第6章 飛行機器人姿態測量 83



6.1 空氣動力學參數測量 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 飛行機器人姿態估計 99



7.1 空氣動力學參數的估計 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 參數調試 126



8.5.1 PID 控制中各參數的作用 126



8.5.2 PID 參數調試的模型建立 127



8.5.3 PID 參數的調試步驟 128



8.6 習題 129



第9章 飛行機器人懸停穩定控制 131



9.1 飛行機器人懸停穩定控制算法設計 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 137



9.2.2 飛行機器人懸停穩定控制實驗結果 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 主控系統設計 153



10.4 電源管理系統設計 158



10.4.1 整體設計 158



10.4.2 主控系統電源設計 162



10.4.3 USB 電源設計 162



10.4.4 動力系統電源設計 162



10.4.5 備用電源設計 163



10.5 姿態測量系統設計 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設計 177



11.1 軟件系統架構與NuttX 實時系統 177



11.1.1 整體架構 177



11.1.2 NuttX 系統設計 177



11.1.3 μORB 對象模型設計 180



11.2 飛行控制棧設計與實現 183



11.3 飛行控制算法設計與實現 185



11.3.1 PID 速度位置雙閉環控制設計與實現 185



11.3.2 自抗擾算法設計與實現 187



11.3.3 模糊自適應姿態控制算法設計與實現 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 數據通信層的設計 229



13.1.3 數據管理層的設計 230



13.2 架構及編程語言 230



13.3 軟件開發與調試 231



13.3.1 用戶操作層開發與調試 231



13.3.2 數據通信模塊開發與調試 248



13.3.3 數據管理模塊開發與調試 249



13.4 系統聯調與優化 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