本书分为实验平台和实验任务两大部分，其中实验平台依托为本书特别设计的RflySim平台。RflySim平台利用目前的先进开发理念“基于模型开发（Model-Based Design）”流程，将多旋翼飞行器、Pixhawk自驾仪，以及MATLAB+Simulink编程语言紧密联系在一起。实验任务共包括循序渐进的8个实验：动力系统设计、动态建模、传感器标定、滤波器设计、姿态控制器设计、定点位置控制器设计、半自主控制模式设计及失效保护逻辑设计，完成多旋翼飞行器设计与控制实践。本书适合对无人机特别是多旋翼飞行器设计与控制感兴趣的读者，也可以把本书部分实验作为专业课程的实践环节。

  全权，北京航空航天大学副教授，博士，新加坡国立大学Research Fellow，已受邀为加拿大多伦多大学访问教授，获得北京航空航天大学蓝天新秀、北京市青年英才计划支撑。

目录

第1章 课程介绍 1

1.1 什么是多旋翼飞行器.2

1.1.1 常见飞行器分类. 2

1.1.2 无人驾驶飞机和航空模型飞机3

1.2 为什么选择多旋翼飞行器. 4

1.3 本书内容. 5

1.3.1 实验平台. 6

1.3.2 实验课程. 6

1.3.3 主要特色. 9

1.4 工程教育认证标准覆盖介绍..10

第2 章实验平台配置. 12

2.1 实验平台总体介绍. 13

2.1.1 硬件平台13

2.1.2 软件平台14

2.1.3 软件/硬件关系. 15

2.2 软件包安装方法. 16

2.2.1 安装步骤16

2.2.2 高级设置18

2.2.3 安装完成效果20

2.2.4 软件简要介绍23

2.3 硬件平台配置.25

2.3.1 遥控器配置25

2.3.2 Pixhawk 自驾仪系统配置32

2.3.3 机架和动力系统配置.. 33

第3 章实验平台使用35

3.1 实验平台总体介绍. 36

3.1.1 实验平台组成36

3.1.2 实验平台优势39

3.2 控制器设计与仿真平台39

3.2.1 控制器. 40

3.2.2 多旋翼模型42

3.2.3 FlightGear 接口. 45

3.3 PSP 工具箱46

3.3.1 Simulink Pixhawk Target Blocks 模块库介绍48

3.3.2 工具箱中各模块的使用. 50

3.3.3 Simulink 配置实现PSP 工具箱自动代码生成.57

3.4 Pixhawk 硬件系统60

3.4.1 硬件系统组成与连线. 60

3.4.2 遥控器基本操作方法. 61

3.4.3 地面站下载固件方法. 62

3.4.4 Pixhawk 自驾仪半物理仿真模式设置.63

3.4.5 遥控器配置与校准.64

3.4.6 飞行模式设置.  65

3.5 硬件在环仿真器. 66

3.5.1 CopterSim 66

3.5.2 3D Display 68

3.5.3 硬件在环飞行测试..69

第4 章实验流程70

4.1 实验流程总体介绍. 71

4.2 控制LED 灯实验操作具体流程73

4.2.1 LED 灯实验目标. 73

4.2.2 设计LED 灯控制模型.73

4.2.3 控制器代码生成与固件下载. 75

4.2.4 实验效果79

4.3 姿态控制实验操作具体流程. 79

4.3.1 基于Simulink 的算法设计与仿真阶段.80

4.3.2 代码生成与配置阶段. 83

4.3.3 硬件在环仿真阶段.84

4.3.4 实际飞行实验阶段与结果对比.  86

第5 章动力系统实验. 90

5.1 动力系统之实验原理91

5.1.1 动力系统91

5.1.2 旋翼和机架半径.99

5.1.3 动力系统建模..100

5.2 动力系统之基础实验. 103

5.2.1 实验目标. 103

5.2.2 配置步骤. 104

5.2.3 注意事项. 110

5.3 动力系统之分析实验. 112

5.3.1 实验目标. 112

5.3.2 计算步骤. 112

5.3.3 分析步骤. 115

5.4 动力系统之设计实验. 118

5.4.1 实验目标. 118

5.4.2 实验步骤. 119

5.4.3 注意事项. 125

5.5 小结.. 125

第6 章动态建模实验. 127

6.1 实验原理. 128

6.1.1 坐标系. 128

6.1.2 姿态表示. 129

6.1.3 多旋翼飞行控制刚体模型138

6.1.4 控制效率模型.141

6.1.5 动力单元模型.143

6.1.6 空气动力学模型144

6.2 动态建模之基础实验. 145

6.2.1 实验目标. 145

6.2.2 实验步骤.. 145

6.3 动态建模之分析实验. 150

6.3.1 实验目标. 150

6.3.2 实验步骤. 150

6.4 动态建模之设计实验. 154

6.4.1 实验目标. 154

6.4.2 实验设计. 155

6.4.3 实验步骤. 156

6.4.4 注意事项. 163

6.5 小结.165

第7 章传感器标定实验..166

7.1 传感器标定之实验原理. 167

7.1.1 三轴加速度计.167

7.1.2 三轴磁力计. 168

7.2 传感器标定之基础实验. 169

7.2.1 实验目标. 169

7.2.2 实验步骤. 169

7.3 传感器标定之分析实验. 176

7.3.1 实验目标. 176

7.3.2 实验分析. 177

7.3.3 实验步骤. 177

7.4 传感器标定之设计实验. 178

7.4.1 实验目标. 178

7.4.2 实验步骤. 179

7.5 小结183

第8 章滤波器设计实验.184

8.1 滤波器设计之实验原理. 185

8.1.1 测量原理. 185

8.1.2 线性互补滤波器185

8.1.3 卡尔曼滤波器.187

8.1.4 扩展卡尔曼滤波器189

8.2 滤波器设计之基础实验. 191

8.2.1 实验目标. 191

8.2.2 实验步骤. 192

8.2.3 注意事项.. 195

8.3 滤波器设计之分析实验. 195

8.3.1 实验目标. 195

8.3.2 实验分析. 195

8.4 滤波器设计之设计实验. 197

8.4.1 实验目标. 197

8.4.2 实验设计. 197

8.4.3 实验步骤. 201

8.5 小结.204

第9 章姿态控制器设计实验.. 205

9.1 姿态控制器设计之实验原理206

9.1.1 姿态控制. 206

9.1.2 控制分配在自驾仪中的实现208

9.2 姿态控制器设计之基础实验209

9.2.1 实验目标. 209

9.2.2 实验步骤. 210

9.3 姿态控制器设计之分析实验220

9.3.1 实验目标. 220

9.3.2 实验步骤220

9.4 姿态控制器设计之设计实验224

9.4.1 实验目标. 224

9.4.2 实验设计. 224

9.4.3 仿真实验步骤.229

9.4.4 实飞实验步骤.230

9.5 小结. 235

第10 章定点位置控制器设计实验. 236

10.1 定点位置控制器设计之实验原理237

10.1.1 基础实验237

10.1.2 传统PID 控制器. 238

10.1.3 开源自驾仪中的PID 控制器. 239

10.1.4 加饱和的PID 控制器. 240

10.2 定点位置控制器设计之基础实验242

10.2.1 实验目标242

10.2.2 实验步骤243

10.3 定点位置控制器设计之分析实验249

10.3.1 实验目标249

10.3.2 实验步骤249

10.3.3 注意事项. 252

10.4 定点位置控制器设计之设计实验253

10.4.1 实验目标253

10.4.2 实验设计253

10.4.3 仿真实验步骤.258

10.4.4 实飞实验步骤.259

10.5 小结. 261

第11 章半自主控制模式设计实验.262

11.1 半自主控制模式设计之实验原理263

11.1.1 半自主控制.263

11.1.2 遥控264

11.1.3 自动控制265

11.1.4 遥控与自动控制间的切换逻辑. 267

11.2 半自主控制模式设计之基础实验268

11.2.1 实验目标268

11.2.2 实验步骤.269

11.3 半自主控制模式设计之分析实验273

11.3.1 实验目标273

11.3.2 实验分析274

11.3.3 实验步骤275

11.4 半自主控制模式设计之设计实验281

11.4.1 实验目标281

11.4.2 实验设计281

11.4.3 仿真实验步骤.285

11.4.4 实飞实验步骤.288

11.5 小结. 290

第12 章失效保护逻辑设计实验.. 291

12.1 失效保护逻辑设计之实验原理.292

12.1.1 安全问题292