微小型无人系统设计与制作

1章概述

11基本概念

12组成分类

13微小型无人系统的发展对技术的挑战

14微小型无人系统的关键技术

第2章Arduino智能搬运小车的设计与制作

21总体设计方案

211智能搬运小车的结构

212智能搬运小车的功能

22硬件设计

221伺服电动机

222QTI传感器

223超声波传感器

224颜色传感器

23软件设计

231软件总体设计

232QTI传感器的寻线算法

233超声波定位算法

234白平衡和颜色识别算法

235搬运过程

24设计心得

第3章Arduino虚拟现实感知小车的设计与制作

31总体方案设计

311系统的组成

312系统组成模块

313系统结构图

32硬件设计

321控制系统

322动力系统

323底盘系统

33软件设计

第4章声音导引系统的设计与制作

41设计任务

42设计要求

421基本要求

422补充说明

43方案比较与论证

431需求分析

432系统设计方案

433声源定位方案的选择

44理论分析与计算

441测量原理

442系统计算模型

443误差信号的产生

444误差的计算

45声音导引系统的硬件设计

451总体设计

452无线收/发电路的设计

453电机驱动及控制电路的设计

454音频产生和接收电路的设计

455语音指示电路的设计

456控制电路的设计

46声音导引系统的软件设计

461系统工作流程

462定位参数的计算

463软件流程

47系统测试

471测试使用的仪器

472指标测试

第5章四旋翼无人飞行器的设计与制作

51概述

52总体设计

521四旋翼无人飞行器的飞行控制平台

522四旋翼无人飞行器的结构及控制原理

53硬件设计

531系统组成

532微控制系统模块

533飞行姿态检测模块

534电机驱动模块

535超声波测距模块

536红外避障模块

537电源模块

54四旋翼无人飞行器的软件设计

541软件总体设计

542软件开发平台

55飞行姿态解算算法及程序

551加速度传感器检测数据解算

552陀螺仪检测数据解算

553卡尔曼滤波与平均值滤波

56PID控制算法

57四旋翼无人飞行器的制作与调试

571电子调速器对电机控制的调试

572MPU6050传感器测量调试

573超声波测距调试

574红外避障调试

575四旋翼无人飞行器整体调试

第6章Arduino 六足机器人的设计与制作

61六足机器人的总体设计方案

611六足机器人的主要功能

612六足机器人肢体结构设计

613六足机器人控制系统方案总体设计

62六足机器人的步态分析

621三角步态原理

622六足机器人直行步态

623六足机器人定点转弯步态

63硬件设计及组装

631Arduino主控制板

632舵机

633舵机控制板

634遥控器

64六足机器人的组装

641舵机的组装

642安装六足机器人的支架

643舵机接口的连接

644PS2手柄接收器与舵机控制器的连接

645六足机器人与Arduino主控制板的连接

65软件设计

651舵机上位机软件

652六足机器人超声波摇头避障

653六足机器人穿越火线

654六足机器人红外遥控

655六足机器人红外防跌落

第7章直立智能车的设计与制作

71总体方案设计

72机械方案设计

721直立车模与控制原理

722机械方案的设计原则

723机械结构的设计

73硬件方案设计

731电源模块

732MCU模块

733电磁信号处理模块

734姿态传感模块

735编码器模块

736电机驱动模块

737蓝牙通信模块

74软件方案设计

741角度环控制

742速度环控制

743转向环控制

744电机PWM波的输出及各控制环之间的耦合关系

75系统调试

751直立车模的直立调试

752直立车模的速度调试

753直立车模的转向调试

第8章电磁智能车的设计与制作

81系统总体方案设计

82系统硬件设计

821主控板

822电磁传感器模块

823电机驱动模块

83系统软件的设计

831传感器数据采集处理算法

832位置偏差获取算法

833路径规划

834控制算法

84系统调试

841电磁传感器模块的调试

842参数整定

第9章摄像头智能车的设计与制作

91总体方案设计

911系统目标功能

912系统整体设计

92摄像头传感器的安装

93摄像头智能车的硬件设计

931电源管理模块

932超声波传感器

933编码器模块

934摄像头传感器

935辅助调试模块

936舵机驱动模块

94图像分析与处理

941提取边界

942计算中线

943十字元素的识别及处理

944横断元素的识别及处理

945坡道元素的识别及处理

946弯道元素的识别及处理

947小S弯道元素的识别及处理

948斑马线元素的识别及处理

95控制算法及其应用

951PID控制算法

952PID参数调整

953PID控制器在舵机控制中的应用

954PID控制器在电机控制中的应用

96系统总体调试

961电机参数的调试

962转向舵机的调试

963车体机械调整

964其他调试方法

第10章智能车多机交互的设计与制作

101通信手段

1011蓝牙模块

1012NRF24L01模块

1013WIFI模块

102双车追逐方案设计

1021系统总体设计

1022通信测距模块的选择

1023双车距离的控制

1024调试方法

103双车超车方案的设计

1031比赛规则

1032超车方案

104双车会车方案的设计

1041竞赛规则

1042会车方案

105空-地协同方案的设计

1051硬件系统

1052机械部分

1053软件系统

本书适应21世纪传感、测控、无人、人工智能等技术发展的需要，详细讨论了陆上及低空无人系统的设计方法与制作技巧，即以编者团队近年指导学生参加全国教育机器人大赛、“恩智浦”（原“飞思卡尔”）杯全国大学生智能车竞赛等的获奖作品为核心，从总体方案设计、硬件设计、软件设计、软/硬件调试技巧等几个方面详细介绍微小型无人系统的设计制作方法。本书思路清晰、案例具体、可操作性强，特别适合95后机器人、无人机等爱好者作为入门实践教程，高等院校机械电子、自动化、测控技术与仪器等专业相关课程的教材，以及大学生智能车竞赛和电子设计竞赛基础培训教学用书。

第1章绪论1

1.1无人系统的基本概念和内涵1

1.2无人系统的意义及作战使命分析1

1.2.1无人系统的意义1

1.2.2无人系统的任务使命2

1.3无人系统的作战运用准则6

1.3.1无人系统的军事需求与作战伦理之间的平衡7

1.3.2无人系统的运用准则8

1.4无人系统的发展现状及趋势分析9

1.4.1无人系统的发展现状9

1.4.2无人系统的发展趋势10

第2章军用无人系统的总体设计14

2.1用户需求分析15

2.2技术需求转化16

2.2.1功能需求18

2.2.2性能需求18

2.2.3接口需求18

2.2.4环境需求18

2.2.5可靠性需求18

2.2.6安全性需求19

2.2.7需求分解、分配和确认19

2.2.8技术标准 19

2.3总体设计技术21

2.3.1逻辑分解21

2.3.2设计方案21

2.4多学科优化设计方法25

2.4.1多学科优化设计的知识体系25

2.4.2分析建模中的关键技术25

2.4.3多学科优化设计方法28

第3章无人系统的控制与导航制导技术31

3.1自动控制系统31

3.1.1控制系统总体31

3.1.2先进的控制技术34

3.1.3自动驾驶仪的实现35

3.2自主导航与制导技术37

3.2.1惯性导航技术37

3.2.2卫星导航技术38

3.2.3组合导航40

3.2.4导航技术发展趋势41

3.2.5自主制导技术41

3.2.6寻的制导技术43

3.3导航与控制系统47

3.3.1概述47

3.3.2导航系统与避障技术48

3.3.3基于图像的辅助导航技术52

第4章三维在线路径规划技术58

4.1在线路径规划及空间表示方法概述58

4.1.1在线路径规划方法58

4.1.2规划空间表示方法58

4.2Dubins路径59

4.2.1基本知识59

4.2.2Dubins路径的基本概念60

4.2.3微分几何法计算Dubins路径长度61

4.2.4两点间Dubins路径生成64

4.2.5仿真分析65

4.3三维路径生成方法67

4.3.1三维Dubins路径最优解分析67

4.3.2螺线模型三维Dubins路径生成方法68

4.3.3二平面模型三维Dubins路径生成72

4.3.4仿真分析79〖HJ〗

第5章图像智能信息处理技术81

5.1图像配准技术81

5.1.1图像配准技术的发展现状81

5.1.2图像配准的方法综述81

5.2图像获取的系统模型84

5.2.1相机透视投影成像模型84

5.2.2相机运动与成像关系86

5.3图像特征提取方法92

5.3.1基于仿射不变量的特征区域提取92

5.3.2基于尺度空间的特征点提取97

5.4图像特征配准方法105

5.4.1相位相关法105

5.4.2特征点匹配法106

5.4.3最邻近的NN算法107

5.4.4k-d树算法108

5.4.5BBF算法109

5.4.6去除错误配准特征点算法110

5.4.7仿真分析112

5.5图像的拼接方法114

5.5.1图像变换与配准误差计算114

5.5.2图像变换插值115

5.5.3图像的融合研究117

5.5.4图像拼接方式119

5.5.5仿真分析122

5.6基于光流场的动目标信息提取技术126

5.6.1光流场126

5.6.2球面光流场128

5.6.3光流场分布129

5.6.4球面光流场景深信息提取132

5.6.5基于时空梯度的球面光流算法135

5.6.6景深探测机制与计算方法136

5.6.7球面光流场景深探测仿真实验138

第6章无人系统任务载荷与数据链路142

6.1任务载荷142

6.1.1不同任务使命下的有效载荷及设计142

6.1.2任务载荷的应用概况及发展趋势150

6.2数据链路153

6.2.1概述153

6.2.2数据链路的机构与原理153

6.2.3对数据链路的特别要求154

6.2.4数据链路的抗干扰分析155

6.2.5数据链路的发展趋势156

6.3无人系统的互操作技术157

6.3.1概述157

6.3.2互操作技术标准158

6.3.3人与无人系统之间的互操作技术161

6.3.4无人系统与有人武器系统的互操作技术163

6.3.5我国发展军用无人系统的互操作技术建议165

第7章炮射巡飞弹总体设计实例167

7.1炮射巡飞弹系统的系统分析167

7.1.1任务设想167

7.1.2系统需求分析167

7.1.3系统质量功能开发168

7.1.4系统功能流图169

7.1.5系统的顶层系统结构169

7.1.6技术指标分析171

7.1.7作战运用方式171

7.2炮射巡飞弹系统的概念设计与评估173

7.2.1概念设计173

7.2.2概念设计评估与向下选择175

7.3炮射巡飞弹系统的总体方案设计178

7.3.1总体技术方案178

7.3.2炮射巡飞弹系统工作过程分析178

7.4炮射巡飞弹系统的结构设计184

7.4.1母弹设计方案184

7.4.2套筒设计方案187

7.4.3巡飞弹设计方案190

参考文献195"

本书主要介绍了无人系统的设计与集成，对无人系统的总体设计以及相关技术进行了详细描述。全书共分7章，首先总结了无人系统的概念、意义、作战运用准则以及无人系统的发展，然后不仅从总体上对无人系统的设计进行了讨论，还对无人系统的控制与导航制导技术、三维在线路径规划技术以及图像智能信息处理技术等分技术进行了详细介绍，又对无人系统的任务载荷与数据链路进行了分析和介绍，最后以炮射巡飞弹的总体设计为例对于无人系统的总体设计进行了具体分析和阐述。本书内容建立在多年相关领域教学和科研工作基础之上，是对无人系统总体设计与集成以及关键技术的经验总结，对未来无人系统领域的研究具有很好的借鉴作用。本书可以作为兵器、航空航天等国防科技领域工程技术人员以及科研工作者的学习参考书，也可以作为相关专业的研究生教材。