四轴飞行器定速巡航系统的设计(论文)Word文件下载.docx
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2. 1硬件构成 4
2. 1. 1机械构成 4
2. 1. 2电气构成 5
2. 2软件构成 7
2.2. 1,上位机 7
2.2. 2,下位机 7
3. 飞行器原理 7
3. 1.坐标系统 7
3. 2.姿态的表示和运算 8
3. 3.动力学原理 9
4. 姿态测量 10
4. 1.传感器校正 10
4. 1. 1.陀螺仪 10
4. 1. 2.加速度计和电子罗盘 10
4. 2.数据融合 11
4.2. 1.概述 11
4.2. 2.姿态插值法 11
4.2. 3.梯度下降法 12
4.2. 4.互补滤波法 13
5. 姿态控制 14
5. 1欧拉角控制 14
5. 2.四元数控制 15
6. 算法效果 15
6. 1加速度计校正 15
6. 2姿态计算 15
7. 结论及存在的问题 16
参考文献：
17
1.引言
四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。
随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。
到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等，已经成为重要的遥感平台。
以农业调查为例，传统的调查方式为到现场抽样调查或用航空航遥感。
抽样的方式工作量大，而且准确性受主观因素影响；
而遥感的方式可以大范围同时调查，时效性和准确性都有保证，但只能得到大型作物的宏观的指标，而且成本很高。
不连续的地块、小种作物等很难用上遥感调查。
因此，低空低成本遥感技术显得相当重要，而四轴飞行器正符合低空低成本遥感平台的要求。
目前应用广泛的飞行器有：
固定翼飞行器和单轴的直升机。
与固定翼飞行器相比,四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；
而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低。
本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，重点讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。
2.飞行器的构成
四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。
比起其他类型的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件上，所以本文的主要内容是软件的实现，特别是算法、公式的推导。
2.1硬件构成
飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。
2.1.1机械构成
机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是尼龙材料的机架。
电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。
螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨交错安装。
整体如图2-1。
图2-1四轴飞行器整机
2.1.2电气构成
电气部分包括：
控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。
控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。
电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。
电气连接如图2-2所示。
图2-2四周飞行器电气连接图
硬件清单如表2-1
表2-1四轴飞行器硬件清单
器件
型号
主要参数
机架
风火轮Z450
桨距0.45m,尼龙材料，重量24Igo
电机
新西达A2212
13极，1000KV。
螺旋桨
1045
宜径10英寸,桨叶角45。
-
电子调速器
新西达HW-30A
额定电流30Ao
电池
LionPower
11.IV,2200mAh,30C,重量179g。
MCU
STM32F405RGT6
主频168MHz。
陀螺仪
MPU6050
量程土2000dps,16位分辨率。
加速度计
量程±
8G,16位分辨率。
电子罗盘
HMC5883
量程土8Gass,12位分辨率。
气压计
BMP085
0.25m分辨率。
遥控及其接收机
天地飞WFT06X-A2.4G
2.4GHz信号，5比例通道+1开关通道。
2.2软件构成
2. 2.1,上位机
上位机是针对飞行器的需要，在QtSDK±
写的一个桌面程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、设置参数等功能。
2.2.2.下位机
下位机为飞行器上MCU里的程序，主要有三个任务：
计算姿态、接受命令和输出控制。
下位机直接控制电机功率，飞行器的安全性、稳定性、可操纵性都取决于它。
下位机的三个任务实时性都要求很高，所以计算姿态的频率设为200Hz,输出控制的频率为100Hz,而接收到命令后，立即处理。
因为电子调速器接受的信号为PWM信号，高电平时间在lms~2ms之3.1.坐标系统间，所以控制信号输出频率也不能太高。
3. 飞行器原理
3.1.坐标系统
飞行器涉及两个空间直角坐标系统：
地理坐标系和机体坐标系。
地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上的坐标系。
四轴飞行器运动范围小,可以不考虑地面曲率，且假设地面为惯性系。
地理坐标系采用“东北天坐标系”，x轴指向东，为方便罗盘的使用，Y轴指向地磁北，Z轴指向天顶。
机体坐标系原点在飞行器中心，xy平面为电机所在平面，电机分布在｛|x|=|y|,z=0｝的直线上，第一象限的电机带正桨，z轴指向飞行器上方。
如图3-1所示。
图3-1地理坐标系和机体坐标系图示（坐标系方向重合时）
3.2.姿态的表示和运算
飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）o更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。
旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。
在本文中，矩阵用加粗大写字母表示，如EAR,左上标和左下标表示从机体坐标系（Aircraft）变换到地理坐标系（Earth）；
四元数用加粗小写字母表示，如EAq,上下标意义与变换矩阵一样；
向量用带箭头加粗小写字母表示，如Av,左上标A表示向量的值是在机体坐标系的坐标值。
因为姿态实质是一个旋转变换，根据刚体有限转动的欧拉定理，旋转变换是可以串联的，所以一个姿态可以经过一个旋转变换，变成另一个姿态。
类比点和向量的概念，姿态相当于点，旋转相当于向量，点可以通过加向量，变成另一个点。
如果用矩阵表示旋转，旋转的串联由矩阵乘法来实现。
如果用四元数表示旋转，则由四元数的乘法来实现旋转串联。
用四元数来表示旋转，组合旋转时比用其他方法运算量更少，所以无论在计算机图形学、飞行器控制等涉及刚体旋转的领域，四元数都有举足轻重的地位［9］。
飞行器的姿态计算是围绕姿态四元数进行的，下面简要介绍一下四元数的运算。
一个四元数由4个实数组成。
q=［wqxqyqzJT （3-1）
规范化的四元数可以表示旋转，见（3-2）式,单位向［x*y*z*「为旋转的转轴。
厂wq=cos（@/2）
xq=xw*sin（@/2）
Y
yq=yw*sin（@/2） （3-2）
JZq二Zw*sin（@/2）
记四元数乘法的符号为。
四元数乘法跟矩阵一样，有结合律，没有交换律。
运算过程见（3~3）式。
Wr二 wpwq - xpxq - ypyq - zpzq
xr= wpxq + XpWq + ypzq - zpyq
y>
= Wpyq - XpZq + ypzq + zpxq （3-3）
<
zr= WpZq + xpyq - ypxq + zpwq
3.3.动力学原理
螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：
推力和转矩。
当四轴飞行器悬停时，合外力为0,螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。
当飞行器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。
假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由外力矩决定［10］,通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。
首先对螺旋桨编号：
第一象限的为0号，然后逆时针依次递增，如图（3-DO同步增加0号和1号、减小2号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供x轴的力矩；
同步增加1号和2号、减小0号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供y轴的力矩；
同步增加1号和3号、减小0号和2号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供z轴的力矩。
以上“增加，，和“减小，，只是表明变化的方向，可以增加负数和减小负数，提供的力矩就沿对应轴的负方向了。
把三个轴的力矩叠加起来，就得到各螺旋桨功率变化与提供的力矩的对应关系，可以用一个矩阵等式表示，见（3-5）式。
T是螺旋桨的功率变化量，为4X1矩阵，每行分别对应0到3号螺旋桨；
向量m是力矩，为3X1矩阵。
nix、m,和m,是各轴的力矩系数，用于把力矩转换成功率变化量，具体数值与电机力矩特性、电机安装位置等有关。
4.姿态测量
获取当前姿态是控制飞
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