本书系统阐述了四旋翼无人机在动态环境中的轨迹规划与跟踪控制技术，围绕感知、规划与控制的核心挑战，构建从基础建模到实际执行的全技术链条。全书首先基于牛顿-欧拉方程建立非线性动力学模型，分析四旋翼的欠驱动特性与微分平坦性;随后探讨了视觉/激光SLAM 与多传感器融合的定位方法，以及不同环境表征对规划的影响;进而提出“路径搜索—参数化—优化”的轨迹生成框架，涵盖基于搜索/采样的初解生成与多目标约束优化;最后对比工业级闭式控制与前沿优化驱动方法，解决复杂扰动下的跟踪问题。
本书适合无人机、无人系统、智能控制、多智能体系统、网络化控制等领域的研究人员，以及从事航空等行业的决策与控制工程师阅读学习。
第1章 概述 001
1.1 无人机应用领域 002
1.2 四旋翼无人机优势及其智能自主性 002
第2章 四旋翼无人机建模 004
2.1 四旋翼无人机占用空间建模 005
2.1.1 球体模型 005
2.1.2 椭球体模型 006
2.1.3 长方体模型 007
2.1.4 体素模型 008
2.1.5 凸多面体模型 008
2.2 微分平坦下的四旋翼无人机动力学建模 009
2.2.1 四旋翼无人机的非线性动力学模型 009
2.2.2 四旋翼无人机的微分平坦变化 011
2.3 考虑旋翼阻力的四旋翼无人机动力学建模 014
2.3.1 旋翼阻力作用下的四旋翼无人机非线性模型 014
2.3.2 旋翼阻力作用下的四旋翼无人机微分平坦线性变换 015
参考文献 016
第3章 四旋翼无人机定位 018
3.1 基于GPS 的四旋翼无人机定位 019
3.1.1 GPS 基本组成部分与定位原理 019
3.1.2 四旋翼无人机的GPS 定位系统 019
3.2 基于视觉的四旋翼无人机定位 020
3.2.1 前端视觉里程计 020
3.2.2 后端优化 035
3.3 基于激光雷达的四旋翼无人机定位 036
3.3.1 LOAM（lidar odometry and mapping）定位算法 037
3.3.2 FAST-LIO 算法 039
参考文献 041
第4章 四旋翼无人机导航常用地图 044
4.1 尺度地图 045
4.1.1 点云地图 045
4.1.2 栅格地图 046
4.1.3 特征地图 050
4.2 拓扑地图 053
4.3 语义地图 054
参考文献 055
第5章 四旋翼无人机前端路径规划算法 056
5.1 基于图搜索的前端路径规划方法 057
5.1.1 图搜索基础知识 057
5.1.2 经典图搜索类算法 057
5.1.3 图搜索类算法改进 060
5.2 基于采样的前端路径搜索方法 062
5.2.1 采样搜索基础知识 062
5.2.2 经典采样搜索类算法 062
5.2.3 采样搜索类算法改进 065
5.3 基于运动学模型的前端路径规划方法 068
5.3.1 运动学模型基础知识 068
5.3.2 经典基于运动学模型路径算法 068
5.3.3 运动学模型搜索类算法改进 072
参考文献 074
第6章 四旋翼无人机后端优化问题与常用轨迹类 077
6.1 优化问题构建 078
6.2 后端轨迹优化常用轨迹类 079
6.2.1 多项式曲线 079
6.2.2 贝塞尔曲线 081
6.2.3 B 样条曲线 082
6.2.4 MINVO 曲线 084
6.2.5 MINCO 曲线 086
6.3 轨迹类对比 087
参考文献 088
第7章 四旋翼无人机后端轨迹优化约束构建 090
7.1 基于可行空间构建的避障约束构建 091
7.1.1 安全飞行走廊 091
7.1.2 维诺图 098
7.2 基于障碍物建模的避障约束构建 104
7.2.1 基于球形或椭球的障碍物建模 104
7.2.2 基于构造实体几何的障碍物建模 104
7.2.3 基于符号距离的障碍物建模 105
7.3 驱动器限位约束构建 106
参考文献 106
第8章 闭式轨迹跟踪控制策略 108
8.1 经典PID 轨迹跟踪控制 109
8.1.1 控制效果可视化 110
8.1.2 Gazebo 半实物仿真验证 116
8.2 SE（3）轨迹跟踪控制 117
8.2.1 姿态控制器设计 118
8.2.2 位置控制器设计 119
参考文献 126
第9章 优化求解的轨迹跟踪控制策略 128
9.1 基于LQR 的轨迹跟踪控制 129
9.1.1 LQR 控制基础知识 129
9.1.2 LQR 轨迹跟踪策略 130
9.1.3 LQR＋PI 跟踪控制 131
9.1.4 基于卡尔曼滤波的LQR 轨迹跟踪 131
9.2 基于MPC 的轨迹跟踪控制 132
9.2.1 MPC 控制基础知识 133
9.2.2 MPC 轨迹跟踪策略 134
9.2.3 RMPC 轨迹跟踪策略 135
9.2.4 EMPC 轨迹跟踪策略 137
9.3 基于数据驱动的轨迹跟踪控制 138
9.3.1 基于数据驱动的MPC 轨迹跟踪策略 138
9.3.2 基于神经网络的轨迹跟踪策略 140
9.3.3 基于强化学习的轨迹跟踪策略 141
参考文献 143
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