前言

四旋翼无人机也称为四旋翼、四轴或四轴飞行器，是一种能够自由悬停、垂直起降、结构简单且易于控制的无人机。随着微机电技术的成熟，四旋翼无人机实现了小型化。四旋翼无人机的设计是一个系统工程，其中涉及机械、电子、电路设计、空气动力学、无线通信、嵌入式软件设计、滤波理论、控制理论、导航技术以及基础的航模知识等多方面的技术和理论。近年来，针对四旋翼无人机的开发和设计，涌现出一批开源硬件和软件产品。从软件的可读性、模块化、可移植性以及功能的完备性等多方面考虑，Paparazzi是诸多开源软件中较为优秀的一个。编者在使用Paparazzi设计开发四旋翼飞行的过程中积累了一些相关理论和技术的学习笔记，现将这些比较零散的知识整理成册，希望对想要学习或从事四旋翼无人机设计的人员能有一定参考价值。

本书以Paparazzi开源实现为主线，贯穿小型四旋翼无人机设计与开发的有关内容，主要从硬件设计、软件编程和原理算法分析等方面进行阐述。

全书分基础知识篇和实践应用篇两部分。基础知识篇包括第1~5章，主要介绍四旋翼无人机的飞行原理、硬件、C语言、坐标系、数学模型和控制理论等在四旋翼无人机设计与开发中涉及的基础知识。

其中，第1章为四旋翼无人机概述，介绍四旋翼无人机的起源、发展、基本飞行原理以及常见的四旋翼无人机的开源项目； 第

2章介绍四旋翼无人机的硬件，包括机架、电机、电子调速器、螺旋桨、电池、遥控器、数传模块、

Lisa系列自动驾驶仪、常用的微控制器等模块的主要性能和特点； 第3章主要介绍C语言的不同语言标准，以及在Paparazzi中所使用的GCC编译器的部分C语言扩展，期望通过本章的内容

能加深读者对Paparazzi中C语言的理解； 

  第4章以四旋翼的数学模型为主线，介绍矢量、坐标系、四元数、运动学建模、动力学建模、旋翼的性能和数学模型等四旋翼建模的基础知识； 第5章介绍控制理论部分的知识，其中包括控制理论的基本概念、PID控制器、复合控制、前置滤波器和常用的数字滤波算法等。

实践应用篇包括第6~10章，主要介绍基于Paparazzi开发四旋翼无人机的工作流程、Paparazzi的软件构架体系、Paparazzi代码实现和算法原理的对应关系、四旋翼无人机控制器参数的整定方法等基于Paparazzi开发四旋翼无人机的实践应用方法。其中，第6章介绍Paparazzi软件的安装和各组件的使用； 第7章介绍Paparazzi中四旋翼无人机的相关配置； 第8章结合嵌入式操作系统、导航系统、自动控制等相关理论，对四旋翼无人机的航姿参考系统的解算、组合导航系统的解算、飞行计划、飞行控制任务以及数据链通信等主要代码进行解析，便于读者理解其中的理论和代码实现，从而针对其中的部分算法和代码进行替换或改进； 第9章从频域综合设计的角度介绍一种四旋翼控制器参数整定的方法； 第10章给出了一个基于Paparazzi开发四旋翼无人机的实例。

配套资源

为便于教学，本书配有400分钟微课视频、源代码、教学课件、教学大纲、教案、教学进度表。

(1) 获取微课视频方式： 读者可以先扫描本书封底的文泉云盘防盗码，再扫描书中相应的视频二维码，观看教学视频。

(2) 其他配套资源可以扫描本书封底的“书圈”二维码，回复本书的书号下载。

读者对象

本书可作为自动控制、无人机工程等相关专业本科生或研究生的教学用书，也可供相关领域的工程技术人员和研究人

员参考。

本书第1章、第2章，以及第6~8章由苏立军编写； 第4、5章由齐晓慧编写； 第3章由朱红娟编写； 第9章由董海瑞编写； 第10章由席雷平编写； 全书由苏立军负责统稿。

由于编者水平有限，书中难免有不足之处，望广大读者给予批评指正。

编者2022年5月