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普通高等教育機器人工程系列教材智能機器人控制系統設計教程/多旋翼無人機系統 版權信息
- ISBN：9787030652607
- 條形碼：9787030652607 ; 978-7-03-065260-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
普通高等教育機器人工程系列教材智能機器人控制系統設計教程/多旋翼無人機系統 內容簡介
《智能機器人控制系統設計教程》是根據"自動化專業工程教育專業認證"等需求而編寫，旨在提高學生在機器人控制系統設計方面的能力，進而培養學生解決復雜工程問題的能力。《智能機器人控制系統設計教程》以多旋翼飛行器為藍本，全書共分3部分，由13章組成。其中，基礎篇由~3章組成，主要講解機器人控制系統涉及到的數學基礎及其基本要點。設計篇包括第4~9章，共6章，詳細介紹了多旋翼飛行器的運動學方程、動力系統建模、姿態測量與估計、控制器設計等幾個方面。0~13章為實踐篇，以Pixhawk飛控系統為例，從控制硬件設計、軟件設計、仿真與實驗三方面進行詳細的闡述，使讀者能夠快速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。
普通高等教育機器人工程系列教材智能機器人控制系統設計教程/多旋翼無人機系統 目錄
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系 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系 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 飛行機器人氣動布局 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
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系 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系 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 飛行機器人氣動布局 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
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