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四旋翼飞机论文
四轴飞行器遥感平台的实现方案
摘要
四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。
相比其他类型的飞行器，
四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。
本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，重点讲
软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。
校正加速度计采用最小二乘法。
计算姿态采用姿态插值法、梯度下降法或互补滤波法，需要对比这三种方法然后选出一种来
应用。
控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。
最后比较各种方法的效果，并附上C语言
的算法实现代码。
关键词：
四轴飞行器；姿态；控制
II
OneMethodtoMakeaQuadcopter
XUANYong-jun
Abstract
Quadcopterisalow-costlow-altituderemotesensingplatforms,whichwidelyusedinvarious
fields.Comparedtoothertypesofaircraft,thequadcopterhassimplerhardware,resultinmore
complexsoftware.Thispaperdescribesanimplementationofthequadcopter,focusingon
softwarealgorithms,includingthecalibrationofaccelerometer,estimationofattitude,andcontrol
ofattitude.ItusestheLeastSquaresMethodtocalibrationtheaccelerometer.ItusesAttitude
InterpolationMethod,GradientDescentMethodorComplementaryFilterMethodtoestimation
theattitude.ItusesEuleranglesorquaterniontocontroltheattitude.Finally,thereare
comparisonsofthemethods.TheC-languageimplementationofthemethodsisappended.
Keywords:
quadcopter;attitude;control
III
1.引言.....................................................................1
2.飞行器的构成.............................................................1
2.1.硬件构成...............................................................1
2.1.1.机械构成..............................................................1
2.1.2.电气构成..............................................................2
2.2.软件构成...............................................................3
2.2.1.上位机................................................................3
2.2.2.下位机................................................................3
3.飞行原理.................................................................4
3.1.坐标系统...............................................................4
3.2.姿态的表示和运算.......................................................4
3.3.动力学原理.............................................................5
4.姿态测量.................................................................6
4.1.传感器校正.............................................................6
4.1.1.陀螺仪................................................................6
4.1.2.加速度计和电子罗盘....................................................6
4.2.数据融合...............................................................9
4.2.1.概述..................................................................9
4.2.2.姿态插值法............................................................9
4.2.3.梯度下降法...........................................................11
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..............................................................17
7.结论及存在的问题........................................................19
参考文献....................................................................20
致谢.....................................................................21
附录.....................................................................22
1
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[1]。
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[2][3][4][5][6][7]。
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天遥感。
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[8]。
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。
2
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2-2四轴飞行器电气连接图
电调电调
电机
电调
电机
电调
电机
电池
控制电路板
BEC供电
遥控遥控接收机
串口调试接口
电机
3
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241g。
电机新西达A221213极，1000KV。
螺旋桨1045直径10英寸，桨叶角45°。
电子调速器新西达HW-30A额定电流30A。
电池LionPower11.1V，2200mAh，30C，重量179g。
MCUSTM32F405RGT6主频168MHz。
陀螺仪MPU6050量程±2000dps，16位分辨率。
加速度计MPU6050量程±8G，16位分辨率。
电子罗盘HMC5883量程±8Gass，12位分辨率。
气压计BMP0850.25m分辨率。
遥控及其接收机天地飞WFT06X-A2.4G2.4GHz信号，5比例通道+1开关通道。
2.2.软件构成
2.2.1.上
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