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四轴飞行器定速巡航系统设计

[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

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Four aircraft cruise control system design

[Abstract] Quadcopter is a low-cost low altitude remote sensing platforms,Which widely used in various fields.Compared to other types of aircraft,the quadcopter has simpler hardware,result in more complex software.This paper describes an implementation of the quadcopter,including the calibration of accelerometer,estimation of attitude,and controlof attitude.It used the Least Squares Method to calibration the accelerometer.It uses Attitude Interpolation Method,Gradient Descent Method or Complementary Filter Method to estimation attitude.It uses Euler angles or quaternion to control the attitude.Finally,there are comparisons of the methods.The C-language implementation of the methods is appended.

[Key words] Quadcopter；Attitude；Control

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目 录

1. 引言 ................................................................ 4 2. 飞行器的构成 ........................................................ 4

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

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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。

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