無人機設計與開發實戰：基於Paparazzi的小型四旋翼(微課視頻版)（簡體書）

本書從實際設計角度出發，以開源飛行控制軟件Paparazzi為開發工具，系統地介紹了四旋翼無人機設計中的硬件基礎知識、軟件基礎知識以及相關的控制理論等，通過對Paparazzi程序代碼的解析和參數整定，闡述四旋翼無人機設計中理論知識和應用實踐相互結合的主要方法。

本書可作為自動控制、無人機工程等相關專業本科生或研究生的教學用書，也可供相關領域的工程技術人員和研究人

員參考。

本書基於Paparazzi環境開發，以Paparazzi開源項目為例，從多個方面闡述了四旋翼無人機的理論算法和軟件實現，較系統地闡述必要的基礎知識，配以工程實踐介紹開發流程，做到理論與實踐緊密結合。內容詳實、案例豐富，配以視頻精講，手把手帶你實現基於Paparazzi的小型四旋翼無人機設計與開發。

四旋翼無人機也稱為四旋翼、四軸或四軸飛行器，是一種能夠自由懸停、垂直起降、結構簡單且易於控制的無人機。隨著微機電技術的成熟，四旋翼無人機實現了小型化。四旋翼無人機的設計是一個系統工程，其中涉及機械、電子、電路設計、空氣動力學、無線通信、嵌入式軟件設計、濾波理論、控制理論、導航技術以及基礎的航模知識等多方面的技術和理論。近年來，針對四旋翼無人機的開發和設計，涌現出一批開源硬件和軟件產品。從軟件的可讀性、模塊化、可移植性以及功能的完備性等多方面考慮，Paparazzi是諸多開源軟件中較為優秀的一個。編者在使用Paparazzi設計開發四旋翼飛行的過程中積累了一些相關理論和技術的學習筆記，現將這些比較零散的知識整理成冊，希望對想要學習或從事四旋翼無人機設計的人員能有一定參考價值。

本書以Paparazzi開源實現為主線，貫穿小型四旋翼無人機設計與開發的有關內容，主要從硬件設計、軟件編程和原理算法分析等方面進行闡述。

全書分基礎知識篇和實踐應用篇兩部分。基礎知識篇包括第1~5章，主要介紹四旋翼無人機的飛行原理、硬件、C語言、坐標系、數學模型和控制理論等在四旋翼無人機設計與開發中涉及的基礎知識。

其中，第1章為四旋翼無人機概述，介紹四旋翼無人機的起源、發展、基本飛行原理以及常見的四旋翼無人機的開源項目； 第

2章介紹四旋翼無人機的硬件，包括機架、電機、電子調速器、螺旋槳、電池、遙控器、數傳模塊、

Lisa系列自動駕駛儀、常用的微控制器等模塊的主要性能和特點； 第3章主要介紹C語言的不同語言標準，以及在Paparazzi中所使用的GCC編譯器的部分C語言擴展，期望通過本章的內容

能加深讀者對Paparazzi中C語言的理解；

第4章以四旋翼的數學模型為主線，介紹矢量、坐標系、四元數、運動學建模、動力學建模、旋翼的性能和數學模型等四旋翼建模的基礎知識； 第5章介紹控制理論部分的知識，其中包括控制理論的基本概念、PID控制器、復合控制、前置濾波器和常用的數字濾波算法等。

實踐應用篇包括第6~10章，主要介紹基於Paparazzi開發四旋翼無人機的工作流程、Paparazzi的軟件構架體系、Paparazzi代碼實現和算法原理的對應關係、四旋翼無人機控制器參數的整定方法等基於Paparazzi開發四旋翼無人機的實踐應用方法。其中，第6章介紹Paparazzi軟件的安裝和各組件的使用； 第7章介紹Paparazzi中四旋翼無人機的相關配置； 第8章結合嵌入式操作系統、導航系統、自動控制等相關理論，對四旋翼無人機的航姿參考系統的解算、組合導航系統的解算、飛行計劃、飛行控制任務以及數據鏈通信等主要代碼進行解析，便於讀者理解其中的理論和代碼實現，從而針對其中的部分算法和代碼進行替換或改進； 第9章從頻域綜合設計的角度介紹一種四旋翼控制器參數整定的方法； 第10章給出了一個基於Paparazzi開發四旋翼無人機的實例。

配套資源

為便於教學，本書配有400分鐘微課視頻、源代碼、教學課件、教學大綱、教案、教學進度表。

(1) 獲取微課視頻方式： 讀者可以先掃描本書封底的文泉云盤防盜碼，再掃描書中相應的視頻二維碼，觀看教學視頻。

(2) 其他配套資源可以掃描本書封底的“書圈”二維碼，回復本書的書號下載。

讀者物件

本書可作為自動控制、無人機工程等相關專業本科生或研究生的教學用書，也可供相關領域的工程技術人員和研究人

員參考。

本書第1章、第2章，以及第6~8章由蘇立軍編寫； 第4、5章由齊曉慧編寫； 第3章由朱紅娟編寫； 第9章由董海瑞編寫； 第10章由席雷平編寫； 全書由蘇立軍負責統稿。

由於編者水平有限，書中難免有不足之處，望廣大讀者給予批評指正。

編者2022年5月

基 礎 知 識 篇

第1章四旋翼無人機概述

1.1四旋翼無人機

1.2四旋翼無人機的起源和發展

1.3四旋翼無人機的飛行原理

1.3.1四旋翼無人機的結構布局

1.3.2四旋翼無人機的飛行

1.4四旋翼無人機的開源項目

1.4.1硬件部分

1.4.2軟件部分

1.5Paparazzi簡介

1.5.1Paparazzi的開源硬件

1.5.2Paparazzi的開源軟件

小結

第2章四旋翼無人機的硬件

2.1機架

2.1.1機架支臂的材質

2.1.2機架的其他性能指標

2.2電機

2.2.1直流有刷電機

2.2.2直流無刷電機

2.3電子調速器

2.3.1電子調速器的硬件

2.3.2電子調速器的軟件

2.4螺旋槳

2.5電池

2.6遙控器

2.7數傳模塊

2.7.13DRRadio數傳電臺

2.7.2XBee數傳電臺

2.8Lisa系列自動駕駛儀

2.8.1Lisa/L系列自動駕駛儀

2.8.2Lisa/S系列自動駕駛儀

2.8.3Lisa/M系列自動駕駛儀

2.8.4Aspirin IMU模塊

2.9常用的微控制器簡介

2.9.1STM32F105RCT6微控制器

2.9.2STM32F405RGT6微控制器

2.10常用傳感器芯片簡介

2.10.1三軸陀螺儀和加速度計MPU60X0

2.10.2三軸磁強計HMC5883L

2.10.3氣壓計BMP085

2.10.4氣壓計MS5611

小結

第3章C語言和GCC編譯器

3.1C語言標準

3.1.1K&R C語言標準

3.1.2ANSI C語言標準

3.1.3AMD1 C語言標準

3.1.4C99標準

3.1.5C11標準

3.2GCC的C語言擴展

3.2.1語句表達式

3.2.2標號變量

3.2.3case範圍

3.2.4typeof關鍵字

3.2.5條件表達式的省略

3.2.6內建函數

3.2.7內聯函數

3.2.8內聯匯編

3.2.9特殊屬性聲明

小結

第4章四旋翼的數學模型

4.1矢量定義和計算

4.1.1矢量定義

4.1.2矢量的計算

4.1.3矢量的微分

4.1.4科裡奧利公式

4.2坐標變換

4.2.1坐標變換矩陣

4.2.2基元旋轉矩陣

4.2.3一般坐標變換

4.2.4歐拉轉動定理

4.2.5坐標變化的變化率

4.3常用坐標系

4.3.1全球坐標系

4.3.2本地坐標系

4.3.3機體坐標系

4.4常用坐標系之間的坐標變換

4.4.1大地坐標系到地心坐標系

4.4.2地心坐標系到大地坐標系

4.4.3地心坐標系到本地坐標系

4.4.4本地坐標系到地心坐標系

4.5四元數理論

4.5.1四元數的定義和性質

4.5.2四元數旋轉變換

4.5.3四元數和坐標變換矩陣

4.5.4以四元數表示相對運動方程

4.6運動學方程和動力學方程

4.6.1質點的運動學方程和動力學方程

4.6.2質點系運動學方程和動力學方程

4.7剛體的運動方程

4.7.1剛體運動描述

4.7.2慣性矩陣

4.7.3剛體質心運動方程

4.7.4剛體轉動方程

4.8旋翼

4.8.1旋翼的作用

4.8.2旋翼的基本參數

4.8.3旋翼的拉力

4.9四旋翼無人機的數學模型

4.9.1數學模型中的相關定義

4.9.2四旋翼無人機的線運動

4.9.3四旋翼無人機的轉動

小結

第5章控制理論

5.1控制理論的基本概念

5.1.1控制的基本方式

5.1.2控制系統的性能

5.2PID控制器

5.2.1通斷控制器

5.2.2比例控制器（P控制器）

5.2.3比例積分控制器（PI控制器）

5.2.4比例微分控制器（PD控制器）

5.2.5比例積分微分控制器（PID控制器）

5.2.6PID控制器的改進

5.3復合控制

5.3.1前饋控制

5.3.2按干擾補償的復合控制

5.3.3按輸入補償的復合控制

5.4前置濾波器

5.5常用數字濾波算法

5.5.1算術平均值濾波

5.5.2加權平均值濾波

5.5.3遞推平均濾波（滑動平均濾波）

5.5.4中值濾波

5.5.5程序判斷濾波

5.5.6慣性濾波

5.5.7互補濾波

5.5.8卡爾曼濾波

5.5.9擴展卡爾曼濾波

5.6Paparazzi的四旋翼無人機控制系統

小結

實 踐 應 用 篇

第6章Paparazzi軟件工具

6.1Paparazzi開發環境

6.1.1安裝Linux操作系統

6.1.2安裝Paparazzi開發工具

6.2Paparazzi Center簡介

6.2.1Paparazzi Center主窗口

6.2.2Paparazzi Center的工具集

6.2.3Paparazzi Center的地面控制站

6.2.4飛行計劃編輯

6.2.5飛行仿真

小結

第7章Paparazzi四旋翼無人機的配置文件

7.1機身配置

7.1.1Airframe的文檔類型定義

7.1.2固件設定

7.1.3設置執行元件參數

7.1.4設置IMU校準參數

7.1.5設置控制器參數

7.1.6加載模塊

7.1.7設置仿真參數

7.1.8設置電源監測參數

7.1.9飛行模式設置

7.2飛行計劃配置

7.2.1飛行計劃文件文檔類型定義

7.2.2飛行計劃文件的根元素

7.2.3包含頭文件

7.2.4航程點設置

7.2.5飛行區域

7.2.6飛行任務

7.3可調參數配置

7.3.1通過遙控器調整參數

7.3.2通過數據鏈調整參數

7.4遙控器配置

7.5遙測信息設置

7.5.1信息格式的定義

7.5.2遙測信息的封裝

小結

第8章Paparazzi四旋翼無人機程序解析

8.1Paparazzi工程文件分析

8.2主函數解析

8.2.1系統初始化

8.2.2任務調度

8.2.3事件處理

8.3ABI消息機制

8.4IMU接口程序

8.5航姿參考系統

8.5.1AHRS模塊的對準

8.5.2基於歐拉角的互補濾波算法

8.5.3基於四元數的互補濾波算法

8.5.4卡爾曼濾波算法

8.6組合導航系統

8.6.1垂直方向的組合導航

8.6.2水平方向的組合導航

8.7飛行計劃設置

8.7.1飛行計劃的用戶接口文件

8.7.2飛行計劃的C語言描述

8.7.3本地坐標系原點設置

8.7.4航程點設置

8.7.5飛行任務設置

8.8飛行控制任務

8.8.1飛行控制任務主函數

8.8.2飛行模式設置

8.8.3導航信息的設置

8.8.4水平導航控制

8.8.5垂直導航控制

8.8.6姿態控制

8.9數據鏈通信

8.9.1通信協議棧

8.9.2應用接口層

8.9.3傳輸協議層

8.9.4硬件接口層

小結

第9章四旋翼控制器參數整定

9.1姿態控制器整定

9.1.1數學模型簡化

9.1.2反饋控制器參數整定

9.1.3前饋控制器參數整定

9.1.4前置濾波器對控制參數的影響

9.2水平導航控制器整定

9.2.1數學模型簡化

9.2.2反饋控制器參數整定

9.2.3前饋控制器

9.2.4前置濾波器

9.3垂直方向控制器整定

9.3.1數學模型簡化

9.3.2反饋控制器參數整定

9.3.3前饋控制器

9.3.4前置濾波器

9.4影響控制器整定的其他因素

9.4.1數字化控制器

9.4.2多入多出系統

9.4.3控制器中的限幅

9.4.4噪聲的影響

9.4.5控制器參數整定的驗證

小結

第10章四旋翼無人機實例

10.1四旋翼無人機硬件選型和組裝

10.1.1硬件選型

10.1.2硬件組裝

10.2設定機型

10.3設定機身配置文件

10.3.1修改機身配置文件中的遙控器設定

10.3.2設置四旋翼機型布局

10.3.3設定IMU傳感器板的校準信息

10.4創建遙控器配置文件

10.5靜態實驗

10.6實際飛行實驗

小結

附錄A氣壓高度測量

附錄BPaparazzi四旋翼無人機的代碼樹

附錄C乘性擴展卡爾曼濾波

附錄DMATLAB代碼

附錄E無人機航空攝影

參考文獻