附录_教学大纲配套
教学大纲配套附录¶
附录 A:项目精读优先级表¶
按照"教学价值 \(\times\) 代码可读性 \(\times\) 社区活跃度"综合评分,推荐以下精读顺序:
| 优先级 | 项目 | GitHub | Stars | 精读重点 | 对应章节 |
|---|---|---|---|---|---|
| ★★★★★ | GCOPTER | ZJU-FAST-Lab/GCOPTER | ~1.1k | MINCO 轨迹类;header-only;Eigen 块操作;L-BFGS | D5 |
| ★★★★★ | Fast-Planner | HKUST-Aerial-Robotics/Fast-Planner | ~3.2k | 规划架构范式;kinodynamic A*;B 样条优化;FSM | D4 |
| ★★★★★ | EGO-Planner | ZJU-FAST-Lab/ego-planner | ~2.4k | ESDF-free;LBFGS-Lite;(p,v) 锚点 | D4 |
| ★★★★★ | FUEL | HKUST-Aerial-Robotics/FUEL | ~1.3k | 分层探索;增量前沿;LKH ATSP | D7 |
| ★★★★★ | rpg_mpc | uzh-rpg/rpg_mpc | ~486 | Eigen::Map 零拷贝;ACADO C 数组封装;PAMPC | D2 |
| ★★★★☆ | Agilicious | uzh-rpg/agilicious | ~574 | Pilot-Bridge-Guard;C++17 Factory;多控制器切换 | D8, P0.D |
| ★★★★☆ | ikd-Tree | hku-mars/ikd-Tree | ~779 | 增量 kd 树;并行再平衡;SLAM-规划共享 | D6 |
| ★★★★☆ | voxblox | ethz-asl/voxblox | ~1.6k | TSDF→ESDF;体素哈希;模板化 Layer | D6 |
| ★★★★☆ | mav_trajectory_generation | ethz-asl/mav_trajectory_generation | ~640 | NTTP 模板;Vertex→Segment→Trajectory | D3 |
| ★★★★☆ | RACER | SYSU-STAR/RACER | ~715 | 去中心化多机;CVRP+LKH-3;TRO Best Paper | D7, D10 |
| ★★★★☆ | ego-planner-swarm | ZJU-FAST-Lab/ego-planner-swarm | ~1.9k | 凸包互斥;去中心化广播;死锁破对称 | D10 |
| ★★★★☆ | MADER | mit-acl/mader | ~450 | MINVO 基;检查-复核协议;分离超平面 | D10 |
| ★★★★☆ | SUPER | hku-mars/SUPER | ~800 | 双轨迹安全;CIRI 构型走廊;ROG-Map | D5 |
| ★★★★☆ | acados | acados/acados | ~1.3k | SQP-RTI;HPIPM;BLASFEO;嵌入式 MPC | D2 |
| ★★★★☆ | mavros_controllers | Jaeyoung-Lim/mavros_controllers | ~500 | 最简 SE(3) 控制器;PX4 SITL 友好 | D1 |
| ★★★☆☆ | FALCON | HKUST-Aerial-Robotics/FALCON | ~270 | 覆盖路径引导;EPEE 基准 | D7 |
| ★★★☆☆ | TARE | caochao39/tare_planner | ~652 | 双分辨率 TSP;OR-Tools;大规模户外 | D7 |
| ★★★☆☆ | RLtools | rl-tools/rl-tools | ~942 | 纯 C++17 模板 RL;MCU 部署;秒级训练 | D9 |
| ★★★☆☆ | SimpleFlight | thu-uav/SimpleFlight | ~80 | 五因子菜单;可复现;OmniDrones | D9 |
| ★★★☆☆ | ROG-Map | hku-mars/ROG-Map | ~530 | 滑窗栅格;计数器膨胀;SUPER 地图层 | D6 |
| ★★★☆☆ | mav_active_3d_planning | ethz-asl/mav_active_3d_planning | ~633 | 虚函数插件架构;最干净的 Factory/Strategy 设计 | D7 |
| ★★★☆☆ | control-toolbox | ethz-adrl/control-toolbox | ~1.6k | 极致模板元编程;iLQR/GNMS;CppAD | D2 |
| ★★☆☆☆ | Splat-Nav | chengine/splatnav | ~41 | 椭球碰撞;3DGS 规划;前沿方向 | D6, D11 |
| ★★☆☆☆ | RAPTOR (RL) | rl-tools/raptor | ~170 | 2084 参数基础策略;GRU 元模仿 | D9 |
| ★★☆☆☆ | mrs_uav_system | ctu-mrs/mrs_uav_system | ~584 | 多机飞行栈;UVDAR;DARPA SubT | D10, D11 |
附录 B:论文精读路线(按重要性排序)¶
必读论文(12 篇)¶
- Lee, Leok, McClamroch (CDC 2010) — SE(3) 几何跟踪控制的奠基作
- Mellinger & Kumar (ICRA 2011 Best Paper) — 微分平坦 + Min-Snap 轨迹
- Richter, Bry, Roy (ISRR 2013（Springer, Robotics Research STAR vol.114, 2016）) — 端点导数参数化,数值稳定性修复
- Wang, Zhou, Xu, Gao (TRO 2022) GCOPTER — MINCO 统一轨迹表示
- Zhou, Gao, Wang, Liu, Shen (RA-L 2019) Fast-Planner — B 样条规划架构范式
- Zhou, Wang, Ye, Xu, Gao (RA-L 2021) EGO-Planner — ESDF-free 梯度规划
- Oleynikova 等 (IROS 2017) voxblox — TSDF→ESDF 流水线
- Zhou, Zhang, Chen, Shen (RA-L 2021) FUEL — 分层探索 + LKH ATSP
- Kaufmann 等 (ICRA 2022) — CTBR 动作空间基准;非对称 AC
- Kaufmann 等 (Nature 2023) Swift — RL 击败 FPV 世界冠军
- Tordesillas & How (TRO 2022) MADER — MINVO + 检查-复核协议
- Zhou 等 (Science Robotics 2022) — 10 机林地群飞
推荐论文(15 篇)¶
- Falanga 等 (IROS 2018) PAMPC — 感知代价入 MPC
- Zhou, Pan, Gao, Shen (TRO 2021) RAPTOR — yaw 图搜索
- Foehn, Romero, Scaramuzza (Science Robotics 2021) CPC — 互补约束时最优
- Song 等 (Science Robotics 2023) — RL vs 最优控制
- Chen 等 (RA-L 2025) SimpleFlight — 五因子菜单
- Eschmann 等 (RA-L 2024) Learning-to-Fly — 18 秒训练
- Ren 等 (Science Robotics 2025) SUPER — 双轨迹安全
- Kondo 等 (RA-L 2023) RMADER — 通信延迟鲁棒
- Zhou, Xu, Shen (TRO 2023 Best Paper) RACER — 去中心化多机探索
- O'Connell 等 (Science Robotics 2022) Neural-Fly — 元学习风适应
- Chen 等 (TRO 2025) Splat-Nav — 3DGS 安全导航
- Cao 等 (Science Robotics 2023) TARE — 分辨率粒度
- Cai, Xu, Zhang (RA-L 2022) ikd-Tree — 增量 kd 树
- Zhang, Chen 等 (TRO 2024) FALCON — 覆盖路径引导探索
- Foehn 等 (Science Robotics 2022) Agilicious — 开源敏捷飞行平台
附录 C:推荐学习路线¶
速成路线(8 周,全职)¶
适合有明确项目需求(如:公司要做无人机巡检)的工程师。
Week 1: D1(微分平坦+SE(3) 控制)——理论基础
Week 2: D3(Min-Snap)+ D4(B 样条/Fast-Planner)——轨迹生成
Week 3: D5(MINCO/GCOPTER)——当前最优轨迹表示
Week 4: D6(voxblox/ROG-Map)——环境表示
Week 5: D7(FUEL/TARE)——自主探索
Week 6: D2(MPC/acados)——高级控制
Week 7-8: D12(综合实战路线 β)——系统集成
跳过:P0.D(仿真深度)、D8(敏捷飞行)、D9(RL)、D10(集群)、D11(前沿)。
完整路线(22 周,全职)¶
按大纲顺序从 P0.D 到 D12 完整学习,不跳过任何章节。
RL 优先路线(12 周,全职)¶
适合已有足式 RL 背景、想尽快进入无人机 RL 研究的工程师。
Week 1: P0.D(仿真环境搭建,重点 OmniDrones/Aerial Gym)
Week 2: D1(微分平坦——理解 CTBR 的物理意义)
Week 3: D2(MPC——理解 RL 的对照基线)
Week 4-5: D9(RL 敏捷飞行——核心章节,花 2 周)
Week 6: D8(Agilicious 平台——部署管线)
Week 7-8: D5(MINCO——理解规划基线,便于 RL 替代)
Week 9: D6(环境表示——RL 视觉策略需要)
Week 10: D11(前沿——3DGS+RL, Actor-Critic MPC)
Week 11-12: 自选方向深入(如:RAPTOR 复现/SOUS VIDE 复现)
附录 D:与 SLAM 大纲 v8 的衔接点¶
| v8 章节 | 无人机大纲衔接 | 衔接说明 |
|---|---|---|
| Ch11 Eigen 深度 | D3, D5 | MINCO 带状矩阵、Min-Snap Hessian 组装 |
| Ch12-14 模板 | D3, D5 | NTTP(mav_trajectory_generation)、GCOPTER header-only |
| Ch17 Ceres | D2, D3 | 对比:Ceres NLS vs L-BFGS 无约束 vs OSQP QP |
| Ch19-20 并发 | D6 | ikd-Tree 并行再平衡、voxblox 多线程集成 |
| Ch25 GTSAM 因子图 | D2 | MPC KKT 块三对角 ≅ 因子图 Hessian 块三对角 |
| Ch31 ROS2 高级 | 全部 | 话题/服务/动作/生命周期/launch/参数 |
| Ch36 CUDA 基础 | P0.D, D6 | Isaac Lab/Aerial Gym GPU 并行;nvblox GPU ESDF |
| Ch40-46 SLAM 精读 | D6, D7, D12 | FAST-LIO2 是无人机感知管线的默认后端 |
| 博士前数学专题 3 | D1 | SO(3)/SE(3) 李群:hat/vee/exp/log 用于几何控制 |
附录 E:硬件平台推荐¶
仿真优先(零成本入门)¶
| 组件 | 推荐 | 说明 |
|---|---|---|
| 仿真器 | Gazebo + RotorS 或 PX4 SITL | 免费;ROS1/2 均支持 |
| 开发机 | Ubuntu 22.04 + RTX 3060+ | RL 训练需要 GPU |
| IDE | VSCode + clangd + CMake Tools | C++ 开发标配 |
最小化真机(~$500)¶
| 组件 | 推荐 | 价格 |
|---|---|---|
| 机架 | Bitcraze Crazyflie 2.1 | ~$40 |
| 扩展 | Flow Deck v2(光流+测距) | ~$30 |
| 无线 | Crazyradio PA | ~$30 |
| 定位 | Optitrack Flex 3(\(\times\)4) 或 LightHouse 2.0(\(\times\)2) | ~$200-400 |
| 地面站 | 笔记本 + Crazyswarm2 | — |
| 总计 | ~$300-500 |
研究级真机(~$2000-5000)¶
| 组件 | 推荐 | 说明 |
|---|---|---|
| 机架 | 5 寸竞速机架(ZJU Fast-Drone-250 设计) 或 Holybro X500 v2 | 推重比 >3 |
| 飞控 | Pixhawk 6C(PX4)或 SpeedyBee F405(BetaFlight) | PX4 适合研究;BF 适合竞速 |
| 算力 | Jetson Orin Nano(8GB) | 机载 SLAM + MPC |
| LiDAR | Livox Mid-360 | FAST-LIO2 首选 |
| 相机 | Intel RealSense D435i(RGB-D+IMU) | VIO + 深度 |
| 电池 | 4S 1300-1500 mAh | 5-8 分钟续航 |
| 总计 | ~$2000-5000 |
版本历史¶
| 版本 | 日期 | 变更 |
|---|---|---|
| v0.1 | 2026-04-19 | 初版完成:13 章(P0.D + D1-D12) + 附录 A-E |
全文完。
致谢：本大纲的科研脉络梳理参考了以下核心实验室的公开论文和开源代码：ZJU FAST Lab(Fei Gao)、HKUST Aerial Robotics(Shaojie Shen)、HKU MaRS Lab(Fu Zhang)、UZH RPG(Davide Scaramuzza)、ETH ASL(Roland Siegwart)、MIT ACL(Jonathan How)、SYSU STAR(Boyu Zhou)、CTU MRS、Stanford MSL(Mac Schwager)、NYU ARPL(Giuseppe Loianno)、Caltech Aerorobotics(Soon-Jo Chung)。所有论文引用和项目星数截至 2025 年中。
至此，教学大纲的全部 13 章（P0.D + D1-D12）及其配套附录已完整呈现。大纲中每章的"项目精读清单"反复引用了数十个开源代码库——为帮助读者建立全局视野并系统选择精读对象，下面的项目全景调研对这 85+ 个无人机规控 C++ 项目进行了统一的分类、评分与工程分析。