本書系統(tǒng)闡述了四旋翼無人機在動態(tài)環(huán)境中的軌跡規(guī)劃與跟蹤控制技術(shù)，圍繞感知、規(guī)劃與控制的核心挑戰(zhàn)，構(gòu)建從基礎(chǔ)建模到實際執(zhí)行的全技術(shù)鏈條。全書首先基于牛頓-歐拉方程建立非線性動力學(xué)模型，分析四旋翼的欠驅(qū)動特性與微分平坦性;隨后探討了視覺/激光SLAM 與多傳感器融合的定位方法，以及不同環(huán)境表征對規(guī)劃的影響;進而提出“路徑搜索—參數(shù)化—優(yōu)化”的軌跡生成框架，涵蓋基于搜索/采樣的初解生成與多目標約束優(yōu)化;最后對比工業(yè)級閉式控制與前沿優(yōu)化驅(qū)動方法，解決復(fù)雜擾動下的跟蹤問題。
本書適合無人機、無人系統(tǒng)、智能控制、多智能體系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化控制等領(lǐng)域的研究人員，以及從事航空等行業(yè)的決策與控制工程師閱讀學(xué)習(xí)。
第1章 概述 001
1.1 無人機應(yīng)用領(lǐng)域 002
1.2 四旋翼無人機優(yōu)勢及其智能自主性 002
第2章 四旋翼無人機建模 004
2.1 四旋翼無人機占用空間建模 005
2.1.1 球體模型 005
2.1.2 橢球體模型 006
2.1.3 長方體模型 007
2.1.4 體素模型 008
2.1.5 凸多面體模型 008
2.2 微分平坦下的四旋翼無人機動力學(xué)建模 009
2.2.1 四旋翼無人機的非線性動力學(xué)模型 009
2.2.2 四旋翼無人機的微分平坦變化 011
2.3 考慮旋翼阻力的四旋翼無人機動力學(xué)建模 014
2.3.1 旋翼阻力作用下的四旋翼無人機非線性模型 014
2.3.2 旋翼阻力作用下的四旋翼無人機微分平坦線性變換 015
參考文獻 016
第3章 四旋翼無人機定位 018
3.1 基于GPS 的四旋翼無人機定位 019
3.1.1 GPS 基本組成部分與定位原理 019
3.1.2 四旋翼無人機的GPS 定位系統(tǒng) 019
3.2 基于視覺的四旋翼無人機定位 020
3.2.1 前端視覺里程計 020
3.2.2 后端優(yōu)化 035
3.3 基于激光雷達的四旋翼無人機定位 036
3.3.1 LOAM（lidar odometry and mapping）定位算法 037
3.3.2 FAST-LIO 算法 039
參考文獻 041
第4章 四旋翼無人機導(dǎo)航常用地圖 044
4.1 尺度地圖 045
4.1.1 點云地圖 045
4.1.2 柵格地圖 046
4.1.3 特征地圖 050
4.2 拓撲地圖 053
4.3 語義地圖 054
參考文獻 055
第5章 四旋翼無人機前端路徑規(guī)劃算法 056
5.1 基于圖搜索的前端路徑規(guī)劃方法 057
5.1.1 圖搜索基礎(chǔ)知識 057
5.1.2 經(jīng)典圖搜索類算法 057
5.1.3 圖搜索類算法改進 060
5.2 基于采樣的前端路徑搜索方法 062
5.2.1 采樣搜索基礎(chǔ)知識 062
5.2.2 經(jīng)典采樣搜索類算法 062
5.2.3 采樣搜索類算法改進 065
5.3 基于運動學(xué)模型的前端路徑規(guī)劃方法 068
5.3.1 運動學(xué)模型基礎(chǔ)知識 068
5.3.2 經(jīng)典基于運動學(xué)模型路徑算法 068
5.3.3 運動學(xué)模型搜索類算法改進 072
參考文獻 074
第6章 四旋翼無人機后端優(yōu)化問題與常用軌跡類 077
6.1 優(yōu)化問題構(gòu)建 078
6.2 后端軌跡優(yōu)化常用軌跡類 079
6.2.1 多項式曲線 079
6.2.2 貝塞爾曲線 081
6.2.3 B 樣條曲線 082
6.2.4 MINVO 曲線 084
6.2.5 MINCO 曲線 086
6.3 軌跡類對比 087
參考文獻 088
第7章 四旋翼無人機后端軌跡優(yōu)化約束構(gòu)建 090
7.1 基于可行空間構(gòu)建的避障約束構(gòu)建 091
7.1.1 安全飛行走廊 091
7.1.2 維諾圖 098
7.2 基于障礙物建模的避障約束構(gòu)建 104
7.2.1 基于球形或橢球的障礙物建模 104
7.2.2 基于構(gòu)造實體幾何的障礙物建模 104
7.2.3 基于符號距離的障礙物建模 105
7.3 驅(qū)動器限位約束構(gòu)建 106
參考文獻 106
第8章 閉式軌跡跟蹤控制策略 108
8.1 經(jīng)典PID 軌跡跟蹤控制 109
8.1.1 控制效果可視化 110
8.1.2 Gazebo 半實物仿真驗證 116
8.2 SE（3）軌跡跟蹤控制 117
8.2.1 姿態(tài)控制器設(shè)計 118
8.2.2 位置控制器設(shè)計 119
參考文獻 126
第9章 優(yōu)化求解的軌跡跟蹤控制策略 128
9.1 基于LQR 的軌跡跟蹤控制 129
9.1.1 LQR 控制基礎(chǔ)知識 129
9.1.2 LQR 軌跡跟蹤策略 130
9.1.3 LQR＋PI 跟蹤控制 131
9.1.4 基于卡爾曼濾波的LQR 軌跡跟蹤 131
9.2 基于MPC 的軌跡跟蹤控制 132
9.2.1 MPC 控制基礎(chǔ)知識 133
9.2.2 MPC 軌跡跟蹤策略 134
9.2.3 RMPC 軌跡跟蹤策略 135
9.2.4 EMPC 軌跡跟蹤策略 137
9.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的軌跡跟蹤控制 138
9.3.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的MPC 軌跡跟蹤策略 138
9.3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軌跡跟蹤策略 140
9.3.3 基于強化學(xué)習(xí)的軌跡跟蹤策略 141
參考文獻 143
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