本书系统介绍了动手制作（DIY）一个四旋翼飞行器的理论知识及实践方法，主要目的是使读者熟悉并掌握四旋翼飞行器的飞行控制及组装原理，熟悉并掌握航电设备的使用。本书以四旋翼飞行器涉及的嵌入式系统基本概念、原理、定律和嵌入式系统软/硬件开发方法为主线，以“实际、实用、实践”为原则，淡化理论深度，突出工程应用，构建科学、协调、可操作的内容体系，知识结构合理，注重课程交叉，及时引入课程*发展成果。

章 绪论
1.1 飞行器分类
1.2 无人机的概念
1.3 无人机自主飞行
1.3.1 自主飞行概念
1.3.2 无人机自主控制等级
1.3.3 无人机模块化结构
1.4 空中机器赛
1.5 开源飞控
1.6 飞行器控制涉及的知识
第2章 空间坐标系及姿态角描述
2.1 满足右手定则的坐标系
2.2 方向余弦阵
2.2.1 二维坐标旋转
2.2.2 三维坐标旋转
2.3 欧拉角
2.4 由等效旋转矢量到四元数
2.4.1 向量点乘和叉乘
2.4.2 等效旋转矢量
2.4.3 复数形式四元数
2.5 四元数、欧拉角以及方向余弦阵对比
第3章 四旋翼飞行器数学模型
3.1 飞行要素
3.1.1 大气飞行环境
3.1.2 伯努利定理
3.1.3 固定翼飞机的平飞
3.2 四旋翼飞行器的飞行原理
3.3 四旋翼飞行器的数学模型
3.3.1 数学模型概述
3.3.2 建模假设条件
3.3.3 动力子系统建模
3.3.4 动力学模型
3.3.5 运动学模型
3.3.6 模型的简化
3.4 四旋翼飞行器的特点
第4章 传感器及姿态角测量
4.1 基本概念
4.2 MEMS
4.3 陀螺仪
4.3.1 机械陀螺仪原理
4.3.2 MEMS陀螺仪
4.3.3 ITG3200应用
4.4 加速度计
4.4.1 加速度计原理
4.4.2 LIS3VDQ结构
4.4.3 加速度计标定
4.5 磁罗盘
4.5.1 磁罗盘原理
4.5.2 磁罗盘LSM303DLH
4.5.3 磁罗盘标定
4.6 GPS
4.7 姿态角测量公式
4.7.1 俯仰角和滚转角测量
4.7.2 偏航角测量
第5章 卡尔曼滤波
5.1 线性系统状态能观
5.2 卡尔曼滤波原理
5.2.1 数学基础
5.2.2 卡尔曼滤波算法
5.2.3 卡尔曼滤波案例1
5.2.4 卡尔曼滤波案例2
5.2.5 参数分析
5.2.6 扩展卡尔曼滤波
5.3 卡尔曼滤波在姿态解算中的应用
5.3.1 四元数微分方程
5.3.2 状态模型
5.3.3 测量模型
5.3.4 卡尔曼滤波算法步骤
5.3.5 四旋翼姿态解算代码实现
第6章 动力系统
6.1 电动机
6.1.1 有刷电动机
6.1.2 空心杯电动机
6.1.3 无刷电动机特点
6.1.4 无刷电动机结构
6.1.5 无刷电动机工作原理
6.1.6 无刷电动机参数
6.2 电调
6.2.1 电调功能
6.2.2 电调原理
6.2.3 电调参数
6.3 电池
6.3.1 锂电池简介
6.3.2 电池参数
6.3.3 电池使用注意事项
6.4 螺旋桨
6.4.1 螺旋桨的作用
6.4.2 螺旋桨的分类
6.4.3 螺旋桨的参数
6.5 导线
6.6 机架
第7章 嵌入式主控系统
7.1 计算机的组成
7.2 CM3体系结构
7.3 CM3寄存器
7.4 STM32的存储结构
7.4.1 总线接口
7.4.2 CM3存储器组织
7.4.3 STM32存储器映射
7.4.4 大端和小端
7.4.5 字节对齐
7.4.6 动态内存
7.5 ARM指令集
7.6 STM32F1和STM32F4的区别
7.7 STM32的选型
7.8 嵌入式系统分层结构
第8章 PID控制算法
8.1 控制的基本过程
8.2 四旋翼飞行器PID控制器原理
8.2.1 PID控制基本理论
8.2.2 控制规律的选择
8.2.3 四旋翼飞行器的串级PID控制
8.3 PID参数整定
8.3.1 PID参数对系统性能的影响
8.3.2 参数整定基本概念
8.3.3 单环PID参数整定
8.3.4 串级PID参数整定
第9章 嵌入式操作系统
9.1 操作系统基本概念
9.1.1 操作系统功能
9.1.2 操作系统工作过程
9.1.3 前后台系统
9.1.4 实时操作系统
9.1.5 通用操作系统与实时操作系统的比较
9.2 飞行器与操作系统
9.3 操作系统中的任务
9.3.1 任务的特性
9.3.2 多任务的实现
9.3.3 任务划分的目标
9.4 FreeRTOS操作系统简介
9.5 FreeRTOS中的任务管理
9.5.1 FreeRTOS中的任务
9.5.2 相对延
9.5.3 延
9.6 FreeRTOS中的互斥信号量
9.6.1 互斥信号量的概念
9.6.2 互斥信号量的应用
9.7 FreeRTOS中的任务通信
9.7.1 队列概念
9.7.2 队列通信案例
9.8 飞控操作系统中的任务及其通信
0章 无线通信
10.1 无线通信原理
10.2 无线电波
10.2.1 无线通信按频率分类
10.2.2 2.4GHz无线技术简介
10.2.3 2.4GHz无线通信扩频技术
10..2..4 2.4GHz无线技术特点
10.3 手持遥控器工作原理
10.3.1 发射机
10.3.2 接收机
10.3.3 设备使用中需注意的问题
10.4 飞行器的其他无线通信
1章 飞手实训
11.1 无人机就业职位要求
11.2 飞手练习方法
11.3 民用无人机空中交通管理办法
11.4 飞行时的注意事项
11.4.1 人
11.4.2 机
11.4.3 环境
11.5 飞行器检修及保养
附录A 椭球相关程序
附录B 卡尔曼滤波代码
附录C PID参数对系统性能影响试验代码
参考文献

陈志旺博士，燕山大学副教授、硕导，主要从事预测控制、智能控制、嵌入式系统研发等方向的教学与科研工作，大学生创新性实验计划"嵌入式电动四旋翼飞行器的设计及实现”"嵌入式四旋翼飞行器自主飞行的设计及实现”指导教师，指导学生完成的"新型自适应四旋翼飞行器”获2届"挑战杯"全国大学生课外学术科技作品竞赛奖。