四旋翼無人飛行器設計 (電子書)

四旋翼無人飛行器設計 (電子書) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

馮新宇
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具体描述

四軸飛行器是一種無人飛行器,也是一種智能機器人,「四軸」指飛行器的動力由四個旋翼式的飛行引擎提供。人們對於四軸飛行器的研究從軍用到民用、商用領域都有涉及。近幾十年來,隨著現代控制理論與電子控制技術的發展,運用現代控制技術,使用電機代替油動力引擎迸行四軸飛行器控制研究。本書利用主流控制器STM32系列微處理器平台,從設計的方案論證、器件選型、代碼調試的全過程對四軸飛行器設計透徹細緻地講解,讀者可以根據書中給出的電路和代碼自行設計,非常適合嵌入式系統的愛好者和在校本科生和研究生學習使用。
本書可作為電子、通信及控制等相關專業的參考書,也可以作為相關技術人員的技術參考書。
精密控制与未来探索:现代航空航天技术新视野 本书深入探讨了当前航空航天领域中多个至关重要的前沿技术分支,旨在为工程技术人员、科研工作者以及高年级学生提供一个全面而深入的视角,理解驱动现代飞行器和空间系统发展的核心原理与实践应用。全书内容精炼,聚焦于理论的深度挖掘与工程实现的有效衔接。 第一部分:先进推进系统与能源管理 本部分首先对新一代涡轮喷气发动机的性能优化进行了细致分析。重点阐述了高涵道比设计在提升燃油效率和降低噪音方面的最新进展,包括对先进复合材料叶片设计的空气动力学建模与热力学性能评估。我们详细考察了脉冲爆震发动机(PDE)的理论可行性、关键挑战(如稳定燃烧的控制)以及其实验室样机的进展,探讨了其在超燃冲压飞行器中的潜在角色。 在能源管理方面,书籍深入剖析了高密度化学能存储技术的最新发展。这包括对下一代固态锂电池和金属空气电池的电化学机理研究,特别关注了它们在对能量密度要求极高的载人航天器和长航时无人机平台上的应用潜力。此外,还系统介绍了先进的太阳能电池阵列的轻量化设计、辐射防护涂层技术,以及在复杂空间环境中对能量波动的实时智能调度系统。 第二部分:高超声速气动弹性力学与热防护 高超声速飞行(马赫数大于5)对材料和结构提出了极端要求。本部分详细构建了非平衡态气动热力学模型,用以精确预测飞行器表面极端温度分布和化学反应对气动特性的影响。我们着重讨论了激波与边界层过渡现象的数值模拟方法(如基于高阶有限体积法的RANS/LES模型),以及如何通过主动和被动控制手段来抑制分离和燃烧不稳定性。 结构健康方面,本书详述了气动弹性力学(Aeroelasticity)在超高速条件下的复杂性。引入了非定常气动载荷与结构阻尼、惯性力之间的耦合分析框架。重点介绍了新型形状记忆合金(SMA)和智能复合材料在构建可变形机翼(Morphing Wing)结构中的应用,这种结构能够实时调整气动外形以适应不同飞行包线,极大地提高了飞行器的多任务适应性。 热防护系统(TPS)的章节详述了可再入式热防护材料的演进。从传统的烧蚀材料,到高性能的陶瓷基复合材料(CMC),再到基于辐射冷却和热沉技术的先进概念,我们对这些材料的导热率、热冲击韧性和抗氧化性能进行了量化比较,并结合飞行数据分析了不同TPS方案在长时间、高热流密度环境下的寿命预测模型。 第三部分:自主导航、制导与群体智能 现代航天系统的核心在于高度的自主性。本部分全面覆盖了先进的导航、制导与控制(GNC)算法。在导航方面,超越了传统的惯性导航,重点介绍了星光敏感器(Star Trackers)的误差校正技术、基于视觉的相对导航(Visual Servoing)在近地轨道器对接中的应用,以及利用量子传感技术实现的超高精度惯性测量单元(IMU)。 制导策略方面,本书详细推导了非线性模型预测控制(NMPC)在复杂约束下的最优轨迹规划。特别关注了如何在存在干扰和模型不确定性时,实现对高机动目标的快速、精确捕获。同时,引入了强化学习(RL)在复杂环境(如行星着陆或小行星接近)中动态决策制定中的应用案例,强调了安全约束RL算法的设计思路。 群体智能(Swarm Intelligence)是未来空间探索的重要方向。本节阐述了多智能体系统(Multi-Agent Systems)的去中心化协同控制理论。通过分布式共识算法和基于势场(Potential Field)的方法,实现了大量小型航天器在编队飞行、灾害监测或大规模组网中的鲁棒性与任务可靠性。 第四部分:空间碎片环境与在轨服务 随着近地轨道活动的日益频繁,空间环境的可持续性成为焦点。本部分首先对空间碎片环境的演化模型进行了严谨的数学描述,包括二体动力学模型与高阶摄动项的整合,并探讨了碎片监测与预警系统的数据融合与不确定性量化方法。 在空间碎片清除(ADR)方面,本书探讨了在轨捕获技术的工程实现。详细分析了机械臂抓取系统的运动学与动力学冗余设计,以及网捕技术和动能拦截器的导引精度要求。此外,还对在轨维修与加注(OSAM)技术进行了前瞻性分析,包括燃料转移接口的标准制定、电子设备的远程诊断与热管理优化。 第五部分:新型空间任务架构与载荷技术 本部分着眼于下一代空间任务的实现途径。全面介绍了深空探测器的新型深空通信架构,包括激光通信(Optical Communication)相对于射频通信的优势、链路预算的精确计算,以及地面站网络的优化布局。 在载荷技术方面,重点讨论了微型化与集成化趋势。分析了立方星(CubeSat)平台在实现高分辨率对地观测、行星科学探测中的技术瓶颈与突破,例如,如何在高集成度下管理热耗散和电磁兼容性。最后,本书对在轨制造(In-Space Manufacturing)的概念进行了深入探讨,包括增材制造(3D打印)技术在真空、微重力环境下的材料沉积精度与结构完整性保障。 全书旨在提供一个跨越空气动力学、材料科学、控制工程与系统架构的综合知识体系,为推动下一代航空航天技术的创新提供坚实的理论和工程基础。

著者信息

图书目录

版權訊息
作者簡介
內容簡介
推薦序 FOREWORD
前言 PREFACE
第1章 簡介
1.1 四旋翼飛行器發展歷史
1.2 四旋翼飛行器的研究現狀
1.3 四旋翼飛行器的主要應用
第2章 四旋翼飛行器的控制原理
2.1 四旋翼飛行器的結構
2.2 四旋翼飛行器的運動控制方法
2.3 四旋翼飛行器各部分的工作原理
2.3.1 飛行姿態與升力關係
1.飛行器繞y軸旋轉α角度與升力之間的關係
2.飛行器繞x軸旋轉β角度與升力之間的關係
3.飛行器繞z軸旋轉γ角度與升力之間的關係
4.飛行器飛行速度與螺旋槳升力之間的關係
2.3.2 飛行姿態的測量
2.3.3 加速度傳感器工作原理及角度測量
2.3.4 陀螺儀傳感器工作原理及角度測量
2.3.5 磁力計傳感器工作原理及測量方法
2.4 姿態解算方法
2.4.1 互補濾波算法
2.4.2 卡爾曼濾波算法
2.4.3 DMP姿態數據獲取
2.5 PID控制算法
2.5.1 PID概述
2.5.2 四軸飛行器PID控制器設計
第3章 硬體設計
3.1 協議預備知識
3.1.1 SPI總線
1.基本情況
2.SPI模式
3.STM32的SPI特性及架構
4.STM32的SPI架構分析
3.1.2 I2C總線
1.物理層
2.協議層
3.STM32的I2C特性及架構
3.1.3 USART總線
1.串口工作過程分析
2.波特率控制
3.收發控制
4.數據存儲轉移
3.2 總體設計
3.2.1 遙控器電路基本框架
3.2.2 飛行器主控電路基本框架
3.3 飛行器主控電路最小系統設計
3.3.1 基本原理
1.更先進的內核
2.更多的資源
3.增強的外設功能
4.更高的性能
5.更低的功耗
3.3.2 硬體電路設計
3.4 姿態傳感器模塊
3.4.1 基本原理
1.三軸加速度計
2.三軸陀螺儀
3.三軸磁力計
3.4.2 硬體電路設計
3.5 無線通信模塊
3.5.1 基本原理
3.5.2 硬體電路設計
3.6 定高模塊
3.6.1 超聲波定高模塊
1.接口說明
2.測距工作原理
3.6.2 氣壓計定高模塊
1.基本原理
2.硬體電路設計
3.7 電機及驅動模塊
3.7.1 基本原理
1.無刷電機
2.無刷電子調速器
3.7.2 硬體電路設計
1.電路連接
2.油門行程校準操作方法
3.進角參數設定操作方法
3.8 遙控器模塊設計
3.8.1 基本原理
1.搖桿電位器
2.液晶
3.8.2 硬體電路設計
1.最小系統電路
2.電源電路
3.搖桿電路
4.液晶和串口電路
5.無線收發電路
6.下載電路
3.9 電源模塊選擇
3.10 四軸飛行器的組裝
3.10.1 電機、漿、電池、機型的相互關係
3.10.2 機架的組裝
第4章 軟體設計
4.1 軟體預備知識
4.1.1 剛體的空間角位置描述
4.1.2 用歐拉角描述定點轉動剛體的角位置
4.1.3 四元數
4.1.4 控制與濾波算法
1.互補濾波
2.卡爾曼濾波
3.單級PID
4.串級PID調節
4.2 主控程序初始化設置及說明
4.2.1 SPI的I/O口初始化實現
1.使能SPI1時鐘和相關I/O口時鐘
2.初始化相應I/O引腳並復用引腳為SPI1引腳
3.初始化STM32F4硬體SPI1
4.2.2 IIC的I/O口初始化實現
1.使能I2C2和相關GPIO引腳的時鐘
2.初始化相應I/O引腳並復用引腳為I2C2引腳
3.初始化STM32F4硬體IIC
4.2.3 定時器初始化實現
4.2.4 電子調速器初始化實現
1.使能定時器4與相應PWM輸出引腳
2.將相關引腳初始化為復用推輓輸出
3.對產生PWM脈衝所用到的定時器4 進行初始化
4.PWM初始化
5.對於第一次使用要對電調進行油門行程校準
4.3 姿態傳感器軟體設計
4.3.1 軟體設計基本思路
4.3.2 DMP
1.涉及算法
2.傳感器數據
3.Invensense MD 6.12驅動層(coredriverMPL)包含文件
4.eMPL-HAL目錄包含從MPL庫中獲取各類數據的API。用戶可以通過以下函數獲取
5.初始化API
6.方向矩陣
7.中斷處理
8.DMP初始化
9.DMP特性
10.DMP FIFO輸出
11.校準數據和存儲
4.3.3 代碼實現及解析
1.對MPU模塊進行初始化
2.對MPL模塊進行初始化
3.設置傳感器基礎輸出
4.設置傳感器基礎輸出速率
5.使能四元數輸出
6.使能9軸數據輸出
7.使能地磁數據校準
8.使能快速靜止校準(如果500ms無運動則進行一次數據校準)
9.使能陀螺儀校準
10.磁場受到干擾時不使用地磁數據
11.運行時保持自動校準
12.開始上述屬於MP模塊中各功能
13.家族DMP驅動代碼
14.設置DMP方向矩陣(無須更改,默認即可)
15.使能的DMP功能
16.設置DMP輸出速率(最大為200Hz)
17.8s後進行一次準確的校準
18.開啟DMP功能
19.設置DMP中斷引腳持續工作
4.4 氣壓計軟體設計
4.4.1 軟體設計基本思路
1.氣壓和溫度計算流程
2.重要時序
4.4.2 代碼實現及解析
1.初始化及如何讀出其中的數據
4.4.3 自主高度控制的實現
4.5 遙控器軟體設計
4.5.1 軟體設計基本思路
4.5.2 無線模塊代碼實現及解析
1.行硬體引腳的宏定義
2.GPIO引腳的初始化
3.SPI的初始化
4.SI4463無線模塊的重要寄存器
5.發送指令函數
6.向發送FIFO寄存器寫入數據
7.向接收FIFO寄存器寫入數據
8.讀取狀態數據函數
9.等待模塊應答相應函數
10.SI4463相關引腳及硬體SPI初始化
11.開始發送
12.設置包內容
13.下面是發送數據的具體程序
14.下面介紹接收數據的程序
4.5.3 搖桿代碼實現及解析
4.6 攝像頭軟體設計
4.6.1 軟體設計基本思路
4.6.2 攝像頭的數據讀取
4.6.3 攝像頭的數據處理
1.平滑濾波算法
2.中值濾波算法
3.動態阈值設定
4.二值化圖像的相關參數提取
4.7 上位機設計
4.7.1 幀頭檢測模塊
4.7.2 3D模型路徑模塊
1.拆分路徑VI
2.創建路徑VI
4.7.3 3D模型屬性設置模塊
1.加載ASE幾何VI
2.創建對象VI
3.設置縮放VI
4.旋轉Y軸/X軸VI
5.設置材質VI
6.顏色改變VI
4.7.4 陀螺儀3D數據顯示模塊
1.創建三維坐標軸VI
2.顏色改變VI
3.添加對象VI
第5章 調試、問題解析及改進方向隨想
1.硬體方面
2.軟體方面
3.調試方面
4.存在的問題
附錄A STM32F4最小系統電路圖
附錄B 遙控器電路
附錄C 飛控板連接電路
參考文獻

图书序言

  • ISBN:9789576810664
  • 規格:普通級
  • 出版地:台灣
  • 檔案格式:EPUB流動版型
  • 建議閱讀裝置:手機、平板
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:32.5MB

图书试读

用户评价

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如果說要挑剔一點,我覺得這本電子書在「視覺輔助」的多元性上,或許還可以再加強一些。雖然文字和公式解釋得非常透徹,但在呈現一些複雜的結構受力分析或者氣動外形優化過程時,如果能搭配更多 3D 模型渲染圖,或者動態模擬的截圖,那對於理解速度可能會再提升一個層次。例如,在探討機臂的扭轉剛度時,如果能配上有限元素分析(FEA)的色彩應力圖,讀者馬上就能直觀地感受到結構設計的優劣。當然,電子書的製作成本和版權問題可能會限制視覺內容的豐富度,這是可以理解的。然而,對於強調「設計」的書籍來說,視覺化的衝擊力是不可或缺的。不過,瑕不掩瑜,書中提供的許多實用的「經驗法則」和「設計準則」(Design Guidelines)彌補了這一點。這些準則像是內行人才知道的暗號,能快速幫設計師篩選掉許多明顯有缺陷的方案。我會建議讀者,在閱讀時可以搭配一些網路上的 3D 軟體介面截圖,將書本的理論知識與實際操作介面做連結,這樣學習效果會更好。

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針對這本《四旋翼無人飛行器設計》,我認為它在「系統整合」這一塊的闡述,特別有台灣在地工程師的實戰風格。不像有些理論書只專注於單一子系統的鑽研,本書的視角是全面性的。它非常細膩地討論了不同模組間的協同作業問題,例如感測器數據融合(Sensor Fusion)在惡劣環境下如何維持穩定,以及在有限的機身空間內,如何進行有效的電磁相容性(EMC)設計以避免電子干擾。這一點非常關鍵,因為在實際製造小型高密度無人機時,空間管理往往是成敗的關鍵。書中對於線路佈局和電源分配的章節,給出了許多寶貴的「過來人經驗」,這些都不是教科書上會直接教,而是需要透過多次失敗才能領悟的訣竅。我特別喜歡它在討論故障排除時的思維框架,提供了一套系統性的除錯流程,避免工程師在遇到問題時陷入盲目測試的泥沼。這種從宏觀系統角度切入,再細化到微觀元件選擇與佈線的寫法,展現了作者對於產品從概念到量產全生命週期的深刻理解。對於準備將設計導入小型新創團隊的讀者,這本書提供的流程概念會很有幫助。

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這本《四旋翼無人飛行器設計(電子書)》光是書名就讓人覺得充滿了專業與硬核的技術味,對於真心想踏入無人機設計這個領域的朋友來說,絕對是本值得入手的好書。我特別欣賞它在內容編排上的邏輯性,從基礎的空氣動力學原理講起,紮實地打好理論基礎,這點對於想要從頭學起的新手來說非常友善,不會一開始就被一堆複雜的公式和名詞轟炸到想放棄。書中對於不同機型的結構設計、材料選用,以及如何平衡輕量化與結構強度的討論,都寫得非常到位,看得出來作者在業界絕對是摸爬滾打了許久,才能將這些實務經驗淬鍊成文字。尤其是在電子控制系統的部分,不管是PID參數的調校邏輯,還是飛控韌體的基礎概念,都用深入淺出的方式解釋,對於那些光看線上論壇碎片資訊難以拼湊完整概念的讀者,這本書簡直就是一座及時雨。如果你是機械、電子相關科系的學生,或者想從事無人機周邊產品開發的工程師,這本書絕對是你工具箱裡不可或缺的一件利器,它提供的知識廣度與深度,遠超過一般市面上那些只著重於組裝操作的入門指南。光是翻閱目錄,就能感受到作者對整個領域的掌握度,從靜態穩定性分析到動態響應優化,每一個環節都顧慮到了,這才是真正「設計」兩字的體現。

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總體而言,《四旋翼無人飛行器設計(電子書)》給我的感覺,是一本極具份量的參考書,而非曇花一現的快速指南。它不追求追逐當下最新的某一特定型號的組件規格(因為那很快就會過時),而是專注於那些不隨時間改變的核心工程原理,這才是讓一本技術書籍具有長久價值的關鍵所在。作者的寫作風格相當嚴謹,字裡行間透露出一種對技術細節的執著,這對於追求極致性能的設計者來說,是一種極大的鼓舞。書中對於法規遵循的探討雖然不是核心,但也有點到為止地提醒了設計者在規劃時必須納入的外部限制,這在台灣當前的空域管理趨勢下,是非常負責任的態度。我會推薦給那些不想停留在遙控玩具層面,而是真正想深入了解如何從零開始,創造出具備高度客製化與性能優越性的無人飛行載具的實幹家。這本書提供的知識深度,足以支撐你在未來面對各種新興技術挑戰時,都能保有靈活應對的底氣,它的價值遠遠超過其標價。

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坦白說,第一次點開這本電子書的時候,我有點擔心會不會是那種翻譯腔很重、讀起來拗口難懂的教科書。畢竟無人機技術發展很快,很多新知都來自國外,翻譯的品質往往決定了一本書的實用價值。令人驚喜的是,這本書的中文表達非常流暢自然,讀起來完全沒有隔閡感,就像是台灣本地專家親自撰寫一般。它不只停留在「告訴你怎麼做」,更深入探討了「為什麼要這麼做」背後的物理定律和工程考量。舉例來說,在討論螺旋槳的效率曲線時,它不只是秀出一張圖表,而是詳細分析了葉片攻角、轉速與推力之間的非線性關係,並提供了實際的計算範例,這對於我們在選配馬達與電變(ESC)時,可以做出更精準的決策,而不是光憑廠商的規格表亂猜。電子書的格式處理得也相當不錯,圖文排版清晰,關鍵公式和術語都有適當的標註,放大查看細節也沒出現模糊不清的問題。對於像我這樣習慣在實驗室環境中隨時查閱參考資料的人來說,電子書的便利性大大加分,隨時都能在平板上快速定位到需要的章節,這種即時檢索能力,在趕工設計階段簡直是救命稻草。總體而言,這本書的知識傳遞效率極高,用詞精準卻不失親和力。

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