无人机 DIY四轴飞行器：基于MSP430F5系列单片机与Android

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by  无人机

内容简介
四轴飞行器（四旋翼飞行器）是最近比较火的一种机电类设备，
应用范围很广，从科技竞赛到航拍、侦查，随处可见四轴飞行器的身
影。作者根据自己参加竞赛的实践经验编写了本书，引领读者DIY四轴
飞行器。
本书以TI公司的MSP430F5为控制器，首先简要介绍了四轴飞行器
的历史，给出了四轴飞行器的组成部分及各部分的功能，接着介绍
MSP430F5及Flappy430硬件、MSP430开发环境和编程方法、MSP430功能
模块和四轴坐标系，然后详细讲述四轴飞行控制——卡尔曼滤波/四元
数法，以及安卓程序的开发，最后讲解了四轴飞行器的实际使用及操
作要点。
本 书 配 有 辅 助 资 料 ， 读 者 可 登 录 华 信 教 育 资 源 网
（www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。本书适合对四轴飞行器感兴
趣的读者阅读，也可以作为TI公司MSP430的入门图书。
未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。
版权所有，侵权必究。
图书在版编目（CIP）数据
DIY四轴飞行器：基于MSP430F5系列单片机与Android／黄和悦编著．
—北京：电子工业出版社，2015.9
（嵌入式技术与应用丛书）
ISBN 978-7-121-27054-3
Ⅰ．①D…　Ⅱ．①黄…　Ⅲ．①飞行器—基本知识　Ⅳ．①V47
中国版本图书馆CIP数据核字（2015）第200978号
责任编辑：田宏峰
印　　刷：三河市双峰印刷装订有限公司
装　　订：三河市双峰印刷装订有限公司
出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱　邮编　100036
开　　本：787×1 092　1/16　印张：12　字数：307千字
版　　次：2015年9月第1版
印　　次：2015年9月第1次印刷
印　　数：3000册　　定价：42.00元
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前言
四轴飞行器（四旋翼飞行器）是最近比较火的一种机电类设备，
目前，从科技竞赛到航拍、侦查，随处可见四轴飞行器的身影。四轴
飞行器是机械、通信、电子、自动控制几大学科融汇的具有较高科技
含量的一种设备，主要承载了微处理器、惯性导航、自动控制、无线
通信、电脑上位机软件、电路设计、PCB制作、外部机械结构设计、空
气动力学及基本的航模控制知识。
因此，四轴飞行器十分适合作为电子信息、自动控制等学科的研
究课题，也适合用作这些专业的教学、科技实践、工程实训设备。
笔者在制作四轴飞行器教学设备的过程中，感觉很多知识比较零
散，而详细探讨四轴飞行器的书籍不是很多，因此斗胆编写了本书，
希望能与喜欢四轴的朋友们一起分享经验，同时也对MSP430系列的知
识做一简单介绍。
笔者自身是一个比较驽钝的人，能写成此书，离不开身边人们的
大力支持和帮助，在此致谢，略表心意。
首先感谢我的研究生阶段导师赵建教授，赵老师多年来悉心教育
学生，不断引导我们要创新，对于技术要精益求精，从本科开始给了
我极多的耐心教导和帮助，以及方向性的建议。
其次，无论有没有本书，必须感谢我的父母、女友、亲人们的大
力支持和鼓励，以及充分的理解和关心。
制作四轴的过程中，身边小伙伴们也非常给力，给了我很多的支
持和关心，也特此感谢我的朋友们！尤其是对于手机APP及PPT的制
作，要感谢孔玉英的大力支持。
具体到算法上，笔者从MK、MWC、KKC等开源飞控代码，以及
Madgwick、seawood、Cnmusic、zksniper等网友的文章中（很多在
Amobbs）得到了很多启发，在此对其表示感谢！制作四轴的过程中从
TI（德州仪器）公司申请了不少免费芯片，对TI公司及其大学计划表
示感谢！
最后，电子工业出版社对本书给予了很多关怀和支持，在此表示
感谢！
感谢所有关心与支持过我们及Flappy430的人！
时间仓促，水平有限，多有不尽不全之处，只能说是框架性的入
门，还望高人们多多指点。
作　者
2015年7月于西安电子科技大学
目 录
前言
第1章　四轴飞行器概述
1.1　四轴飞行器的历史
1.2　四轴飞行器的现状、应用及微型化
1.3　四轴飞行器的力学原理及控制框图
1.3.1　四轴飞行器的力学原理
1.3.2　四轴的坐标及控制知识初步
第2章　四轴飞行器的组成及各部分功能
2.1　四轴飞行器组成概述
2.1.1　2.4GHz遥控器及接收机
2.1.2　蓝牙/WiFi等遥控器及接收机
2.1.3　姿态检测单元
2.1.4　处理器
2.1.5　调试器
2.1.6　电机驱动及电机
2.2　遥　控　器
2.2.1　2.4GHz遥控器
2.2.2　蓝牙/安卓遥控
2.3　电机及驱动
2.3.1　无刷电机及电调
2.3.2　有刷电机及驱动电路
2.4　机　架
2.4.1　大四轴飞行器机架
2.4.2　微型四轴飞行器机架
2.5　电　池
2.6　飞　控
第3章　MSP430F5简介及Flappy430硬件
3.1　MSP430F5系列介绍
3.2　Flappy430学习板介绍
3.3　PCB布线心得
3.4　硬件实物图及基本使用
3.5　配套资料及学习微处理器的顺序
第4章　MSP430开发环境及编程方法
4.1　IAR安装及使用
4.1.1　软件及仿真器安装
4.1.2　Flappy430软件驱动及串口通信软件
4.2　IAR的使用和调试
4.2.1　IAR的界面
4.2.2　新建一个工程并调试
4.3　Flappy430程序介绍及学习板的使用
4.3.1　新建Flappy430飞控工程
4.3.2　Flappy430学习板的装配及使用
4.4　MSP430F5编程介绍
4.4.1　头文件
4.4.2　库函数
4.5　C-430的特性及编程风格
4.5.1　C-430的数据类型
4.5.2　位带操作，常用语句形式
4.5.3　自写函数的接口规范
4.5.4　中断系统架构和中断函数写法
4.5.5　分离式源文件、头文件的组织
第5章　MSP430功能模块及四轴坐标系
5.1　时钟系统
5.2　数字IO口
5.3　端口映射（PortMapping）功能
5.4　定时器Timer
5.5　PWM波
5.6　串口USCIA_uart
5.7　蓝牙/PC上位机及反馈测试
5.7.1　PC上位机通信协议
5.7.2　蓝牙通信协议
5.7.3　上位机测试四轴反馈
5.8　陀螺仪、加速度计及磁强计
5.8.1　陀螺仪
5.8.2　加速度计ADXL345
5.8.3　磁强计
5.8.4　LSB概念及分析
5.9　PID算法及机体坐标系初步分析
5.9.1　PID算法的构造分析
5.9.2　四轴机体坐标系的构建
第6章　四轴飞行控制——卡尔曼滤波/四元数法
6.1　传感器中立点
6.2　基于卡尔曼滤波的姿态计算方法
6.3　卡尔曼滤波法分析及测试
6.3.1　积分限幅及数据类型选择
6.3.2　算法效果测试
6.3.3　转换系数/LSB与传感器更换分析