无人机编程实战：基于ArduPilot和Pixhawk

本书包括三个部分，首先介绍自动驾驶仪和库的特性。然后着重介绍对ArduPilot库的重要部分的理解，其中描述了代码的每个主要组成部分。第三部分是高级特性部分，目的是将获得的知识扩展到实时应用程序。每个部分都详细描述了代码及其组件、应用程序和交互。

译者序
前言
致谢
第一部分　引言
第1章　硬件和软件说明 2
11　自动驾驶仪 2
12　自动驾驶仪的种类：SDK与GUI 3
13　SDK的种类 4
14　Pixhawk自动驾驶仪（硬件） 5
15　克隆版本与原始版本 8
16　商业自动驾驶仪与你自己的设计 8
17　ArduPilot库（软件） 9
18　兼容性和类似项目 9
19　硬件和软件之间的困惑 10
110　本章小结 10
第2章　ArduPilot工作环境 11
21　ArduPilot库的相关文件类型 11
22　特定数据类型 11
23　所用程序的描述和流程 12
231　编码和编译 13
232　连接和加载接口 13
233　物理执行 13
234　显示 13
235　反馈 14
24　上传自定义代码到自动驾驶仪 14
25　使用Eclipse创建新项目 16
26　错误校验 21
27　ArduPilot库中直接使用Arduino是否可行 26
28　本章小结 27
第3章　概念和定义 28
31　辅助组件 28
311　无刷电机 28
312　ESC 29
313　螺旋桨 30
314　框架 30
315　特殊连接器 31
316　遥测模块（无线串行通信） 32
317　锂电池 33
318　电池测试仪或电池监测器 33
319　GPS模块 34
3110　分配器 34
3111　电源模块 35
3112　硅线 36
3113　热电偶 36
3114　紧扣件 36
3115　被动防振模块 36
3116　遥控器 37
3117　嵌入式车载电脑 37
3118　特殊Pixhawk组件 38
32　计算效率与数学等式 38
33　使用变量、函数、模块和对象 39
331　变量 39
332　结构体 39
333　函数 40
334　模块 40
34　getter和setter的概念 42
35　方向和位置的概念 42
36　安装和编码之间的区别 44
37　ArduPilot代码的常用部分 44
38　ArduPilot代码编程的常用模型 45
39　本章小结 46
参考资料和建议网站 47
第二部分　顺序操作模式
第4章　基本输入和输出操作 51
41　头文件 52
42　设置 54
421　写入终端 54
422　读取终端 56
423　读取无线电信号 57
43　辅助通道与状态机简介 62
431　内部传感器读取位置和方向 64
432　外部位置传感器读数（GPS） 68
433　读取模拟传感器 72
434　信号滤波 73
435　读写数字 75
436　电池读数 77
437　通过主LED使用视觉警报 78
44　本章小结 79
第5章　高级操作 80
51　有线和无线串行通信 80
52　通信程序 83
521　发送数据的过程 84
522　数据验证过程 87
523　基本“校验和”方法的描述 87
524　XOR“校验和”方法的描述 87
53　轮询 89
54　通过串行通信和开发板从外部设备读取信息 97
55　写入无刷电机（BLDC电机） 99
551　代码优化 106
552　写入电机的简化函数 106
56　写入标准直流电机（有刷） 110
57　使用步进电机 117
58　使用伺服电机执行辅助任务 118
59　ArduPilot兼容电机总结 121
510　数据的使用与存储 121
511　使用Mission Planner GUI绘制SD数据 126
512　时间管理 133
513　本章小结 135
第6章　控制具有平稳飞行模式的四轴飞行器 136
61　多轴飞行器的基本建模 140
62　第二个例子：双轴飞行器（同轴电机分析） 149
63　速度运动学关系 155
631　动态平移方程 157
632　动态旋转方程 158
64　飞行模式 161
65　解耦的任务 163
66　控制方法 165
67　闭环与开环 165
68　饱和PD控制（飞行的软模式基本控制） 166
69　无人机飞行的实施 175
610　本章小结 180
参考资料 180
第三部分　实 时 模 式
第7章　实时工作环境 184
71　链接器 184
72　调度程序说明 184
73　实时模式/调度程序模式下的ArduPilot常用部件 185
74　测量任务执行时间 186
75　本章小结 190
第8章　应用程序代码 191
81　radiopde模块 194
82　controlpde模块 194
83　datapde模块 197
84　posepde模块 200
85　本章小结 201
参考资料 202
附录1　与其他SDK命令的比较 203
附录2　设置扩展代码 205
附录3　扩展头文件 206
附录4　完整功能代码 210
附录5　有用的关键字 215
附录6　安装ArduPilot库 216
附录7　推力矢量 234
附录8　全向性 236
附录9　扩展功率的方法 239
附录10　四轴飞行器设计总结 241
附录11　使用头文件 245

本书的目的是讲授ArduPilot库的功能以及以四旋翼通用多旋翼飞机为例的Pixhawk自动驾驶仪，同时也提供了其他类型的定制飞行器（参见附录8）、陆地或水上交通工具，以及与上述库兼容的其他自动驾驶仪扩展知识的指南。
本书包括三个部分：第一部分（引言）介绍自动驾驶仪和库的特性；第二部分（顺序操作模式）着重于对ArduPilot库的最重要部分的理解，描述了代码的每个主要组成部分；第三部分（实时模式）介绍高级特性，目的是将获得的知识扩展到实时应用程序。每个部分都详细描述了代码及其组件、应用程序和交互，当然，还有作者建议的参考书目，供那些想要深入学习的读者参考。
应该指出，ArduPilot库的使用并非Pixhawk自动驾驶仪所独有，还可以扩展到许多其他平台。但是，作者喜欢根据其性能来采用这种组合。这意味着，本书提供了基于这些库的实训，并允许最终用户对其工作进行调整以适应广泛的自动驾驶仪和测试平台。
先验知识
本书的读者至少应具有高中学历或技术学士学位。
必需的知识
编程：了解如何使用Arduino是必要的起点。
经济实力：进行自动驾驶研究时，购买各种零部件的成本较高。你应该有能力购买或组装自己的飞行器和相应的零件。
英语：为了解决某些问题，通常需要访问国外的论坛和商店，或观看英语视频，因此有必要具有中等英语水平。
最好有但非必需的知识
数学：你应该了解向量和矩阵的基本推导以及基本运算。
物理和控制：你应该了解阻尼谐振荡器和PD控制的概念、力和扭矩的概念、坐标系的使用以及如何求解运动和力的分量。
预期结果
通过阅读本书，你将能够：
以先进的方式对Pixhawk进行编程。Pixhawk是ETH创建的开源自动驾驶仪，广泛用于自动驾驶仪的研发领域。
使用ArduPilot库，该库是世界上大多数用户进行自动驾驶仪研究和开发的软件开发接口之一。
以一种非常具体的方式利用四轴飞行器模拟和实现任何空中、地面和水上自动驾驶的基本半自动控制。
将理论与实践相结合，开发自动驾驶仪。
在自动驾驶仪的设计过程中选择硬件和软件组件。
使用与本书介绍的技术兼容的其他硬件和软件开发包。
熟悉该领域常用的科学和技术术语。
熟悉该领域相关的文章和书籍。
通过全向飞行器的基本理论，将四轴飞行器应用的知识扩展到三维飞行器上（即可以实现“任意方向”和“任意位置”）。
在构建自己的自动驾驶仪（通过编程微控制器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、嵌入式卡或任何其他方法）时，确定与自动驾驶最相关的复杂事项和操作流程。
许可证
ArduPilot库和Mission Planner软件是GPLv3免许可证软件，可以按照自由软件基金会（www.fsf.org/）所述的GNU GPLv3条款和限制重新分发或修改它们。
发布代码和程序的目的是希望它们有用，但没有任何保证，甚至没有对特定用途的适销性的隐含保证。有关更多详细信息，请参见GNU项目的“通用公共许可证”部分。
ArduPilot库可以从http://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-programming-libraries.html下载。
可以从http://ardupilot.org/planner/下载Mission Planner软件。
Pixhawk自动驾驶仪具有属于Lorenz Meier的CC-BY-SA 3.0许可证（https://creativecommons.org/licenses/bysa/3.0/deed.es）。
其官方文档位于https://dev.px4.io/en/contribute/licenses.html。
PX4库具有修改的BSD许可证（https://opensource.org/licenses/BSD-3-Clause）。
几乎所有终端都是公共领域的软件。我们建议使用terminal.exe、putty或任何其他等效工具。
Java SE开发工具包8u111更新了名为jdk-8u111-windows-i586.exe的可执行文件，它属于Oracle，并且仅在需要正确执行包含在库中的Eclipse版本的情况下才需要从www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/java-archive-javase8-2177648.html下载。
责任条款
出版商、作者、ArduPilot或Pixhawk项目的开发社区都不对读者使用本书知识设计、编程或操作的任何飞行器或机器人承担任何责任。
每一位读者都有责任做到以下几点：
1.阅读并正确理解这本书的全文。
2.对个人项目有适当的权限和安全措施。
3.为项目使用合适的材料和设备。
无论是出版商、作者，还是ArduPilot或Pixhawk项目的开发社区，都不会回复与每个读者的个人项目相关的问题或看法，无论这些项目有多重要或多紧急。要明白，这本书包含了足够详细的资料，在非常特殊的情况下，也可以访问在线论坛：
http://discuss.px4.io/
https://discuss.ardupilot.org/
http://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-programming-libraries.html的社区版块
无论是出版商、作者，还是ArduPilot或Pixhawk项目的开发社区，都不对读者在软件安装过程中或之后对他们的计算机设备或嵌入式系统造成的损害负责，每个读者都有责任按照所提供的说明进行操作。
无论是出版商还是作者，都不对ArduPilot开发社区或Pixhawk项目所产生的代码和语法变化负责。这是可以理解