四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對(duì)文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時(shí)也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對(duì)您有幫助請(qǐng)收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快業(yè)績進(jìn)步，以下為四旋翼無人機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容。渤海大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)與制作TheManufactureandDesignofQuadRotorUnmannedAerialVehicle學(xué)院(系）：專業(yè)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：入學(xué)年度：指導(dǎo)教師：完成日期：-PAGE#--PAGE#-摘要四旋翼無人機(jī)飛行器因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡單，而且控制起來也很方便，因此它成為了近幾年來發(fā)展起來的熱門產(chǎn)業(yè)。在這里本文詳細(xì)的介紹了四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)和制作的過程，其中包括了四旋翼無人機(jī)飛行器的飛行原理，硬件的介紹和選型，姿態(tài)參考算法的推導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件的具體實(shí)現(xiàn)。該四旋翼飛行器控制系統(tǒng)以STM32f103zet單片機(jī)為核心，根據(jù)各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，采用不同的校正方法對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正以及低通數(shù)字濾波處理,之后設(shè)計(jì)了互補(bǔ)濾波器對(duì)姿態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),實(shí)現(xiàn)精確的姿態(tài)測(cè)量。最后結(jié)合GPS控制與姿態(tài)控制疊加進(jìn)行PID控制四旋翼飛行器的四個(gè)電機(jī)，來達(dá)到實(shí)現(xiàn)各種飛行動(dòng)作的目的。在制作四旋翼飛行器的過程中,進(jìn)行了大量的調(diào)試并且與現(xiàn)有優(yōu)秀算法做對(duì)比驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出能夠穩(wěn)定飛行的四旋翼無人機(jī)飛行器。關(guān)鍵詞：姿態(tài)傳感器；四元數(shù)姿態(tài)解算;STM32微型處理器；數(shù)據(jù)融合；PID-PAGE#-TheManufactureandDesignofQuadRotorUnmannedAerialVehicleAbstractQuad—rotorunmannedaerialvehicleaircrafthaveasimplestructure，anditisveryeasytocontrol,soithasbecomepopularinrecentyears.Herearticledescribesindetailthedesignandtheprocessofmakingthefour—rotoraircraft，includingQuad-rotorUAVaircraftflightprinciple，hardwareintroductionandselection，implementationandrealizationofderivationattitudereferencealgorithm，thesystemsoftware。TheQuad-rotoraircraftcontrolsystemSTM32f103zetmicrocontrollercore,andtheadvantagesanddisadvantagesbasedontheaccelerometersensor，agyrosensorandelectroniccompasssensorsusingdifferentcorrectionmethodsforcorrectingvarioussensordataandlow-passdigitalfilterprocessing，afterdesigncomplementaryfiltertoestimatetheoptimalposture，preciseattitudemeasurement.Finally,GPScontrolandattitudecontrolPIDcontrolissuperimposedfour—rotoraircraftfourmotorstoachieveavarietyofflightmaneuverstoachievethepurpose.Four—rotoraircraftintheproductionprocess，alotofdebugginganddocomparisonwiththeexistingexcellentalgorithmvalidation，thefinaldesigntostabilizetheQuad-rotorUAVflyingaircraft.KeyWords：MEMSSensor;Quaternion；STM32Processor；DataFusion;PID目錄TOC\o”1-3”\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc452194808”摘要 IHYPERLINK\l”_Toc452194809"Abstract II1。2國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 11。2。2國內(nèi)四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 32四旋翼飛行器工作原理 5HYPERLINK\l”_Toc452194817"2.1四旋翼飛行器的飛行原理 53四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7HYPERLINK\l”_Toc452194820”3.1微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成 73。1.1MEMS陀螺儀傳感器 73.1.2MEMS加速度計(jì)傳感器 7HYPERLINK\l”_Toc452194823”3.1.3三軸數(shù)字羅盤傳感器 83.2姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)傳感器選型 83.3電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10_Toc452194827"3.4.1無線通信模塊 10HYPERLINK\l”_Toc452194828"3.4。2電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 11HYPERLINK\l”_Toc452194829”3。4.3機(jī)架和螺旋槳的選型 123。4.4遙控控制模塊 13HYPERLINK\l”_Toc452194831"4四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14HYPERLINK\l”_Toc452194832”4.1姿態(tài)參考系統(tǒng)原理 14HYPERLINK\l”_Toc452194833”4。2傳感器信號(hào)處理 154.2。1加速度傳感器信號(hào)處理 15_Toc452194837”4。3坐標(biāo)系 164.5四元數(shù)姿態(tài)解算算法 18HYPERLINK\l”_Toc452194840"4。6校準(zhǔn)載體航向角 265。1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 28HYPERLINK\l”_Toc452194843"5.1。1姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28_Toc452194845"結(jié)論 31HYPERLINK\l"_Toc452194846”參考文獻(xiàn) 32–PAGE#–PAGE#緒論研究背景及意義隨著MEMS傳感器、無刷電機(jī)、單片機(jī)以及鋰電池技術(shù)的發(fā)展,四旋翼飛行器現(xiàn)在已經(jīng)成為航模界的后起之秀。與固定翼飛行器相比之下四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制起來非常方便，能夠垂直起降，成本非常的低、穩(wěn)定性也高,機(jī)動(dòng)性非常強(qiáng)等特點(diǎn)。在民用可以代替有人機(jī)完成一些任務(wù)，在軍事上有很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。因此在這些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如軍事偵查、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、災(zāi)害檢測(cè)、輸電線巡查、玩具航模、航拍、氣象探測(cè)等.四旋翼飛行器的飛行原理雖然簡單，但是涉及到的知識(shí)面非常的廣［[][]杜浩.基于GPS/INS的多旋翼MAVS自主飛行系統(tǒng)研制[D].南京信息工程大學(xué),20121。2國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀1.2。1國外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀目前國外四旋翼飛行器的研究也是主要集中在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的新的理論的研究，比如：神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制算法、模糊自適應(yīng)控制算法等。國外還在四旋翼飛行器的自主飛行以及多機(jī)協(xié)同運(yùn)作等方面有很多研究。下面對(duì)一些四旋翼飛行器進(jìn)行簡單的介紹：首先非常具有代表性的是美國Draganflyer公司研發(fā)出來的Draganflyer系列四旋翼飛行器[[]郎哲彥.基于模態(tài)切換的無人直升機(jī)雙回路魯棒控制器的研究[D].[]郎哲彥.基于模態(tài)切換的無人直升機(jī)雙回路魯棒控制器的研究[D].天津大學(xué),2012[]馬遠(yuǎn)超.四旋翼飛行器導(dǎo)航及控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2013德國在四旋翼飛行器研究方面也具有較高的水平，德國的MicroDrones公司推出的一款四旋翼飛行器MD4-200[[]姜洋[]姜洋.四旋翼垂直起降機(jī)的魯棒控制問題研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009圖1。1DraganflyerX4四旋翼飛行器圖1。2AR.Drone飛行器現(xiàn)在許多科研院所已開始開展四旋翼飛行器相關(guān)科研項(xiàng)目,主要是針對(duì)四旋翼飛行器系統(tǒng)建模的研究和四旋翼飛行器飛行功能的實(shí)現(xiàn).美國賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了一種能夠編隊(duì)飛行的四旋翼無人機(jī)飛行器，在這些飛行器上都安裝有光源,通過安裝在室內(nèi)墻壁上的攝像頭設(shè)備進(jìn)行拍攝，從而確定飛行器的空間位置并且對(duì)其進(jìn)行編隊(duì)飛行控制操作，如圖1。4所示。麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的一款可以在室內(nèi)進(jìn)行地圖測(cè)繪,定位和壁障的四旋翼無人飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，而且能夠自動(dòng)生成三維地圖數(shù)據(jù),并且根據(jù)周圍的環(huán)境進(jìn)行自主壁障和飛行路徑規(guī)劃，可以用于為危險(xiǎn)環(huán)境的探測(cè)和搜救，如圖1.5所示.圖1。3德國MD4-200四旋翼飛行器圖1。4賓夕法尼亞大學(xué)四旋翼編隊(duì)飛行1.2。2國內(nèi)四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀現(xiàn)今四旋翼飛行器的研究在國內(nèi)逐漸發(fā)展壯大并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。目前國內(nèi)己經(jīng)有許多公司(如Dj大疆公司)將四旋翼飛行器應(yīng)用于商業(yè)化，如圖1。6所示。圖1.5麻省理工學(xué)院四旋翼飛行器圖1。6大疆四旋翼飛行器目前對(duì)四旋翼飛行器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。四旋翼飛行器研究的最主要技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)飛行姿態(tài)的控制。因其旋翼多，因此四旋翼飛行器比傳統(tǒng)的直升機(jī)控制起來復(fù)雜。目前該領(lǐng)域的研究方向主要集中在飛行器的數(shù)學(xué)建模、控制算法和濾波算法.目前主要的研究算法有剛體旋轉(zhuǎn)理論、非線性濾波法、四元數(shù)、捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、PID控制算法、模糊自適應(yīng)控制等。（2)適合于四旋翼飛行器的新的傳感器技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外逐漸出現(xiàn)了通用的整合于一體的傳感器模塊，例如MPU6050傳感器就是把加速度計(jì)和陀螺儀集成在一起。(3)電機(jī)和電池領(lǐng)域的發(fā)展.近些年來，無刷電機(jī)和空心杯電機(jī)的進(jìn)一步普及和應(yīng)用于四旋翼飛行器上，四旋翼飛行器的動(dòng)力得到了很大程度的提高。鋰電池和燃料電池的出現(xiàn)和應(yīng)用大大增加了飛行器的續(xù)航能力.（4)GPS的發(fā)展.隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展壯大，GPS也逐漸應(yīng)用于旋翼飛行器，人們可以不用害怕飛行器故障之后會(huì)不會(huì)找不到，因?yàn)槲覀兛梢杂肎PS進(jìn)行衛(wèi)星定位，而且還可以設(shè)置航點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的自主飛行.(5）無線傳輸模塊的發(fā)展?，F(xiàn)如今無線傳輸可以應(yīng)用的范圍越來越廣泛，藍(lán)牙、WIFI等無線傳輸方式越來越被普遍應(yīng)用到飛行器上，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)的遙控控制。1.3本文研究內(nèi)容和方法本文研究基于MEMS傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)，通過對(duì)姿態(tài)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)出了有效去噪的濾波方法；通過大量的查找資料對(duì)姿態(tài)解算算法和數(shù)據(jù)融合算法有了更深的理解，最后應(yīng)用于設(shè)計(jì)的飛行控制器上實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)角的測(cè)量。最后通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它們的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線驗(yàn)證了該姿態(tài)參考系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，具有很好地工作性能.本文一共分為五章，主要內(nèi)容安排如下:第一章緒論部分主要介紹了該項(xiàng)目的研究背景及意義、四旋翼飛行器在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。第二章主要介紹了四旋翼飛行器的飛行原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。第三章詳細(xì)介紹了四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的工作。介紹了MEMS傳感器的原理、特性和型號(hào)的選擇和硬件電路圖。飛行器控制芯片選擇STM32，外圍電路包括有姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、電源模塊、無線通訊、串口通訊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、遙控器控制電路、GPS模塊。第四章說明了姿態(tài)參考系統(tǒng)的核心算法捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的研究和實(shí)現(xiàn)過程。第五章針對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行了介紹，給出了編程的軟件流程圖和串級(jí)PID控制和定高控制方法.最后對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié),提出了不足之處并對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了展望。

2四旋翼飛行器工作原理2。1四旋翼飛行器的飛行原理四旋翼飛行器有兩種模式，也就是X字模式（如圖2。1所示）和十字模式(如圖2.2所示）.其實(shí)這兩種模式差別不大,到X模式使用廣泛，因此我們采用X字模式。四旋翼飛行器的四個(gè)電機(jī)對(duì)稱分布在各個(gè)軸上，并且同一條軸線上電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向要保證相同，相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反[[]李堯,[]李堯,四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2013圖2。1X型四旋翼飛行器模型圖2.2十字型四旋翼飛行器模型2。2四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四旋翼無人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖2.3所示.分別由控制模塊、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、無線通信模塊、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙控器控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊、地面站系統(tǒng)。四旋翼飛行器控制器的核心任務(wù)是姿態(tài)的測(cè)量，它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、精確的飛行狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)。常見的四旋翼飛行器人們大多是采用基于MEMS傳感器來測(cè)量飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)[[][]宋英麟,鮮斌,茹濱超,曹美會(huì).無人機(jī)微型姿態(tài)航向系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào).2013EMBEDVisio.Drawing.11圖2.3四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架四旋翼飛行器的主控板選擇的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32f103zet芯片，STM32系列的單片機(jī)是基于Cortex—M3內(nèi)核的處理器，功耗低，處理速度非?？欤罡吖ぷ黝l率可達(dá)72MHz，7通道DMA控制器，支持定時(shí)器、ADC、SPI、IIC、USART等外設(shè),多達(dá)112個(gè)I/O口,8個(gè)Timer定時(shí)器，5個(gè)串行USART接口，3個(gè)SPI接口，2個(gè)IIC接口［[][]滕守明,魯奕,李響.基于STM32芯片及CAN總線在汽車上的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技.2013電源模塊采用11.1V鋰電池外部供電，連接電子調(diào)速器為控制器提供5V電壓?？刂破魃线€有3.3V穩(wěn)壓芯片，為控制芯片供電。遙控器控制模塊，控制器對(duì)遙控器數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲處理該部分我們通過對(duì)STM32定時(shí)器進(jìn)行輸入捕獲配置,捕獲接收機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)，把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制量在經(jīng)過PID控制把輸出量給四個(gè)電機(jī)，進(jìn)而控制飛行器的動(dòng)作。GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，配合上位機(jī)在上位機(jī)上輸入一些GPS坐標(biāo)點(diǎn)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成航線，并且能夠從GPS系統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)[[][]黃鵬宇,曾路榮,楊川,彭遠(yuǎn)行,余成波.一種新型災(zāi)難救援四軸航拍飛行器設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào).20143四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3。1微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成3。1.1MEMS陀螺儀傳感器陀螺儀是一種能用來維持方向與角速度（獲取角速度）的裝置，設(shè)計(jì)原理是角動(dòng)量守恒.簡單的說就是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)不會(huì)改變。這種用來保持方向而制造出來的裝置就叫陀螺儀[[]王曙霞[]王曙霞,梁洪潔,王小營,劉偉.基于虛擬儀器的機(jī)載陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程.2010圖3.1陀螺儀圖3。2MEMS三軸陀螺儀3。1.2MEMS加速度計(jì)傳感器能將物體加速度的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器稱之為加速度傳感器。在姿態(tài)控制系統(tǒng)中，加速度傳感器用來測(cè)量與重力方向的夾角。當(dāng)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)我們就可以理解加速度傳感器輸出的信號(hào)是當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下加速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系下投影.加速度計(jì)能夠在沒有加速度存在的條件下可以感應(yīng)重力產(chǎn)生的加速度，然而在有加速度存在時(shí)，根本無法測(cè)量出姿態(tài)角，需要陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下的姿態(tài)測(cè)量[[][]鄭健.基于9軸傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),20133。1.3三軸數(shù)字羅盤傳感器數(shù)字電子羅盤也叫指南針，顧名思義指南針是用來指示方向的。傳統(tǒng)羅盤通過磁針來感應(yīng)地磁場(chǎng)方向，電子羅盤通過磁阻傳感器測(cè)量地磁方向信息，再將所測(cè)信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)輸出。數(shù)字電子羅盤的優(yōu)勢(shì)在于它克服了只能夠在水平面使用的缺點(diǎn)，這種數(shù)字電子羅盤內(nèi)部有傾斜補(bǔ)償裝置，這個(gè)裝置一般是由加速度傳感器來完成，如果在完全動(dòng)態(tài)的情況下，也需要陀螺儀檢測(cè)姿態(tài)角，通過這個(gè)角度和磁場(chǎng)方向信息可以補(bǔ)償?shù)玫綔?zhǔn)確的角度信息，而姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的電子羅盤實(shí)際上就是三軸數(shù)字電子羅盤。3.2姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)傳感器選型目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的一款I(lǐng)nvenSense公司的MPU6050芯片內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，這樣做不僅消除了焊接電路時(shí)易造成加速度計(jì)和陀螺儀之間的對(duì)準(zhǔn)誤差的問題，而且因?yàn)樾酒瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)上有數(shù)字可編程低通濾波器。所以在飛行器經(jīng)受較大震動(dòng)的時(shí)候，可以用軟件設(shè)置適當(dāng)頻率的低通濾波器，濾掉高頻震動(dòng)，這種方法很有效的減少了四旋翼機(jī)身震動(dòng)對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響。因此MPU6050被廣泛應(yīng)用于姿態(tài)控制系統(tǒng)之中，其特征如下:（1）三軸角速度傳感器具有±250、±500、±1000與±2000（°/s)測(cè)量范圍［[][]劉杰.四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)[D].南京郵電大學(xué).2013（2)具備較低功耗:芯片供電電壓VDD為2。5V±5％、3.0V±5％、3.3V±5%[[]吳冬冬.基于MEMS[]吳冬冬.基于MEMS陀螺儀姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研制[D].浙江理工大學(xué).2014[]馮旭光.四旋翼無人機(jī)自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué).2014（3）陀螺儀和加速度計(jì)都具備16位ADC同步采樣功能。（4）IIC接口傳輸頻率可高達(dá)400KHz,內(nèi)建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍只有1％頻率變化。綜合MPU6050特性，我們采用如圖3.3所示的電路讀取三軸加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù).圖3.3MPU6050電路圖HMC5883傳感器是三軸數(shù)字羅盤，它可以用來測(cè)量四軸飛行器所處位置的三軸磁場(chǎng)信息，該傳感器內(nèi)置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路，直接輸出數(shù)字信號(hào)，用來測(cè)量航向角并進(jìn)行姿態(tài)解算，HMC5883電路圖如圖3.4所示。HMC5883的特點(diǎn)如下：1。IIC數(shù)字量輸出總線接口，設(shè)計(jì)使用簡單，尺寸非常小.2。有較高的測(cè)量精度，內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換。圖3.4HMC5883電路圖4。擁有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，簡化了應(yīng)用的步驟。5。內(nèi)置有自測(cè)試電路，量產(chǎn)測(cè)試非常方便，不需要增加額外的高昂測(cè)試設(shè)備[[][]高勇.瓦型鐵氧體磁場(chǎng)檢測(cè)裝置及先進(jìn)制備工藝研發(fā)[D].遼寧工業(yè)大學(xué).20156。功耗較低，供電電壓只需要1.8V,睡眠模式功耗-2。5uA,測(cè)量模式功耗—0。6mA。3.3電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足飛行控制系統(tǒng)的需要，電源系統(tǒng)為飛行控制器和功能模塊提供了12V、5V和3.3V電壓，電路設(shè)計(jì)如圖3.5所示.選擇12V的鋰電池作為供電電源，通過穩(wěn)壓芯片將12V電壓降為5V，為GPS模塊、超聲波傳感器、接收機(jī)等提供供電電源;然后通過AMS1117_3。3穩(wěn)壓芯片再把5V電壓降為3。3V,為飛行控制主板、姿態(tài)測(cè)量傳感器和無線通信模塊提供電能.圖3。5電源系統(tǒng)電路圖3.4其它硬件模塊3。4.1無線通信模塊該模塊為上位機(jī)和控制器建立了聯(lián)系.通過兩塊NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，控制器將姿態(tài)和高度等信息傳輸至地面站，地面站將位置信息和導(dǎo)航信息告訴控制器，從而達(dá)到可控的要求。NRF24L01的工作頻段為2.4~2。5GHz，而且具備自動(dòng)重發(fā)功能，有6個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，最大傳輸速率高達(dá)2Mbits[[][]臺(tái)述鵬,趙文斐.以ARM為核心的嵌入式體感遙控器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2012圖3.6NRF24L01電路圖3。4.2電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊我們常用的直流電機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可以劃分為無刷電機(jī)和有刷電機(jī).無刷電機(jī)是航模電機(jī)的主流選擇，因?yàn)樗α看蠖夷陀?。小型的四旋翼飛行器一般選用空心杯電機(jī)，屬于有刷電機(jī)一類.由于我們?cè)O(shè)計(jì)的是大型四旋翼飛行器，故采用的是無刷電機(jī)。無刷電機(jī)根據(jù)廠商的不同，種類也是非常的多,市面上的主要有朗宇、新西達(dá)、銀燕等品牌.在這些無刷電機(jī)中口碑最好的就是朗宇電機(jī)，用的人非常的多,因此采用朗宇無刷電機(jī)。四旋翼飛行器所用的無刷電機(jī)主要有電機(jī)尺寸和電機(jī)KV值兩個(gè)參數(shù)。電機(jī)尺寸指的是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑和高度，電機(jī)KV值是指外加1V電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的每分鐘空載轉(zhuǎn)速.根據(jù)參數(shù)設(shè)置最后選擇采用朗宇A(yù)2212、KV1400無刷電機(jī)。電機(jī)實(shí)物圖，如圖3。9所示。無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)就是俗稱的電子調(diào)速器也稱電調(diào)，如圖3.10所示。黑色和紅色的是11。1V電源線，紅色接電源正極，黑色接電源負(fù)極.右邊三根線和電機(jī)的三根線相連，如果轉(zhuǎn)向反了，只需將其中任意兩根線互換就可以.白紅黑三根線是和電調(diào)相連的，白色為信號(hào)線，紅色為控制板提供5V供電電源，黑色的線接控制器的GND。圖3.9朗宇無刷電機(jī)圖3.10電子調(diào)速器實(shí)物圖3。4.3機(jī)架和螺旋槳的選型對(duì)于機(jī)架的選擇，差的機(jī)架會(huì)使姿態(tài)傳感器讀取到的數(shù)據(jù)噪聲較大,加大四旋翼飛行器在飛行過程中的不穩(wěn)定性，因此選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量較輕的碳纖機(jī)架，這樣很大程度上也提高了飛行器的載重。機(jī)架實(shí)物圖如圖3。11所示。螺旋槳是由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)為四旋翼飛行器提供升力的.螺旋槳分為正反槳，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配正槳,逆時(shí)針轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配反槳.槳的選型需要結(jié)合所選的電機(jī)來配備，從槳的型號(hào)我們可以讀出槳的直徑和角度,例如1047中的前兩位10表示槳的直徑單位是英寸，后兩位代表槳的角度。的螺旋槳，同樣轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生的升力就會(huì)越大,也就需要更大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這就需要根據(jù)電機(jī)的大小去選擇槳的型號(hào).在設(shè)計(jì)時(shí)選用1047的槳，槳的實(shí)物圖如圖3。12所示。圖3。11四旋翼飛行器機(jī)架圖3.121047正反槳3。4.4遙控控制模塊 該遙控器控制模塊是由一個(gè)7通道的遙控器和配套的接收機(jī)組成的，接收機(jī)上的油門、副翼、升降舵、方向舵通道分別與控制器上的接口相連?？刂破髂芡ㄟ^定時(shí)器的捕獲功能，捕獲到遙控器通過接收機(jī)傳出的控制信號(hào)，遙控器就是這樣控制四旋翼飛行器的飛行動(dòng)作的.遙控器和接收機(jī)的實(shí)物圖如圖3.13所示。圖3.13遙控器和接收機(jī)實(shí)物圖

4四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1姿態(tài)參考系統(tǒng)原理姿態(tài)參考系統(tǒng)是利用慣性導(dǎo)航器件來測(cè)量載體姿態(tài)角的一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)镸EMS傳感器的數(shù)據(jù)帶有噪聲,因此姿態(tài)參考系統(tǒng)需要對(duì)MEMS傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行濾波處理。然后對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行姿態(tài)解算.由于姿態(tài)傳感器各自特點(diǎn)的不同，所以需要對(duì)每個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,以此來提高測(cè)量的精度和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。姿態(tài)參考系統(tǒng)的原理圖，如圖4。1所示。EMBEDVisio.Drawing.11圖4.1姿態(tài)參考系統(tǒng)原理圖從MEMS傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破魈幚淼倪^程中會(huì)受到很多因素的干擾，造成傳輸誤差，為了減小誤差，提高檢測(cè)的精度就需要用濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.濾波器可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，具有較大的靈活性[[][]基于子帶能量和特征檢測(cè)技術(shù)的語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)方法.中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所.2003從加速度傳感器提取到的信號(hào)經(jīng)過姿態(tài)解算后的姿態(tài)角信號(hào)在和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過程中以低頻信號(hào)為主的.根據(jù)這一特性，加速度傳感器的輸出信號(hào)可以通過低通濾波器或者均值濾波器提高信噪比。陀螺儀信號(hào)具有高動(dòng)態(tài)的特點(diǎn),它的信號(hào)噪聲主要為高斯白噪音,我們可以通過卡爾曼濾波器來濾除這種高斯白噪聲。因?yàn)樾枰诤霞铀俣葌鞲衅鳙@得的姿態(tài)角信號(hào)，所以選擇均值濾波來去除噪聲。電子羅盤傳感器測(cè)量的是地磁強(qiáng)度，我們都知道物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)地磁強(qiáng)度變化慢，它在姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中屬于低頻信號(hào)，因此采用均值濾波來濾除噪聲信號(hào).歐拉角和四元數(shù)方法都是針對(duì)陀螺儀姿態(tài)測(cè)量進(jìn)行處理的數(shù)學(xué)方法，可以有效地解算處姿態(tài)角。把解算出來的姿態(tài)角進(jìn)行數(shù)據(jù)融合.考慮到高動(dòng)態(tài)下陀螺儀測(cè)得的數(shù)據(jù)解算出的姿態(tài)角比較準(zhǔn)確因此在高動(dòng)態(tài)條件下選用陀螺儀信號(hào),低動(dòng)態(tài)下加速度信號(hào)解算出的姿態(tài)角更穩(wěn)定因此在低動(dòng)態(tài)條件下選擇加速度信號(hào)。4。2傳感器信號(hào)處理4.2.1加速度傳感器信號(hào)處理加速度傳感器的輸出信號(hào)主要表示直線加速度大小和與重力方向的夾角[[]董景新.微機(jī)械加速度計(jì)[M].[]董景新.微機(jī)械加速度計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003[]于東.前束動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].長安大學(xué).2012在實(shí)際的姿態(tài)解算中一般采用低通濾波器或者均值濾波器去除高頻噪聲干擾信號(hào)。均值濾波因其具備低通濾波的特性并且計(jì)算簡單，因此選用均值濾波來處理加速度信號(hào)。4.2.2陀螺儀信號(hào)處理陀螺儀信號(hào)濾波要選擇卡爾曼濾波算法。對(duì)于卡爾曼濾波器，首先要清楚系統(tǒng)狀態(tài)的描述方法,系統(tǒng)狀態(tài)的更新方法和系統(tǒng)測(cè)量值的更新方法，從卡爾曼濾波算法的數(shù)學(xué)公式，我們可以歸納出它的核心思想：首先根據(jù)系統(tǒng)上一次得來的最優(yōu)值計(jì)算出當(dāng)前的估計(jì)值和協(xié)方差,再根據(jù)協(xié)方差大小計(jì)算出卡爾曼增益的大小，最后根據(jù)當(dāng)前估計(jì)值和測(cè)量值計(jì)算出當(dāng)前最優(yōu)值和協(xié)方差。下面分步建立卡爾曼濾波方程式：預(yù)估計(jì)最優(yōu)值方程：X（k｜k—1）=A(k，k-1）＊X（k-1|k—1)+B（k)＊U（k）(4-1)上式中，X(k|k-1)表示的是根據(jù)k—1時(shí)刻的最優(yōu)值計(jì)算出的k時(shí)刻估計(jì)值;X（k｜k—1）表示k—1時(shí)刻的最優(yōu)值；A(k，k—1）是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B(k)是輸入控制加權(quán)矩陣；U（k)表示k時(shí)刻的輸入控制信號(hào)，這些參數(shù)需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì).預(yù)估計(jì)最優(yōu)值協(xié)方差：P(k｜k-1)=A（k，k-1）＊P（k-1｜k—1)＊A（k,k—1）+Q（k）（4-2）其中，P（k|k-1）表示預(yù)估計(jì)最優(yōu)值X（k｜k-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差;P(k-1｜k—1)表示X（k-1|k-1）對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，表示了對(duì)預(yù)測(cè)值的信任度；Q(k)表示k時(shí)刻系統(tǒng)過程的協(xié)方差，即對(duì)上一次測(cè)量估計(jì)值的信任程度,Q矩陣值越大表示信任度越低，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì).P和Q矩陣的區(qū)別在于Q矩陣是根據(jù)模型直接得到的，P矩陣是算法過程中通過計(jì)算獲得的。計(jì)算卡爾曼增益矩陣：K(k）=P（k|k—1）*H（k)/(H(k）*P（k|k—1）*H(k）+R(k)）（4-3)其中，K（k）表示卡爾曼增益；R（k)表示k時(shí)刻觀測(cè)過程的covariance,即對(duì)測(cè)量的信任程度;H（k）表示觀測(cè)矩陣。更新估計(jì)：X（k｜k）=X（k｜k—1）+K(k)*(Z（k)–H(k)*X（k|k—1)）(4-4）P(k｜k）=(1—K(k）*H(k））*P（k|k—1)（4-5）其中，Z(k)表示k時(shí)刻的觀測(cè)值,I為單位矩陣。4.2.3電子羅盤信號(hào)處理電子羅盤信號(hào)非常容易受到高頻干擾，在系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)過濾系統(tǒng)的高頻噪聲，最好采用去極值濾波算法[[]黃曉英,傅士冀,[]黃曉英,傅士冀,陳俊,曹作群.去極值平均濾波技術(shù)在智能微歐電阻校準(zhǔn)儀中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2011,48(549):47-48[]于敬芬.低溫推進(jìn)劑液位檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué).20074.3坐標(biāo)系坐標(biāo)系是描述物體在空間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的,而導(dǎo)航技術(shù)就是為了確定載體的空間位置.只有選定參考坐標(biāo)系,才能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述.不同的坐標(biāo)系下載體的描述規(guī)律和運(yùn)動(dòng)形式也是不同的，選擇合適的坐標(biāo)系是非常重要的[[][]胡恩偉.基于MEMS多傳感器數(shù)據(jù)融合的慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶大學(xué).2013目前比較常用的坐標(biāo)系有:（1)地理坐標(biāo)系(g系)坐標(biāo)系和地球固連，其原點(diǎn)位于地球球心,通常選取東北天坐標(biāo)系，即坐標(biāo)Xg軸指向水平東方，Yg軸指向水平北方，Zg軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫妫禺?dāng)?shù)卮咕€向上[[][]王建文.無人直升機(jī)狀態(tài)估計(jì)算法研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2008（2)導(dǎo)航坐標(biāo)系（n系）一般選取當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，坐標(biāo)Xn軸指向地理東方，Yn軸指向地理北方，Zn軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫?，沿?dāng)?shù)卮咕€向上[[][]劉剛.基于視覺導(dǎo)航小型無人機(jī)自主著陸控制策略研究與應(yīng)用[D].南京航空航天大學(xué).2014(3)載體坐標(biāo)系(b系）載體坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于機(jī)體的質(zhì)心位置,通常選取右前上坐標(biāo)系，其Xb軸沿機(jī)體橫軸向右，Yb軸沿機(jī)體縱軸向前，Zb軸沿機(jī)體豎軸向上，如圖4。2所示。圖4.2載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系4。4姿態(tài)角定義姿態(tài)角也是我們常說的歐拉角，是根據(jù)導(dǎo)航坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間的關(guān)系來定義的。歐拉角是飛行器的三個(gè)姿態(tài)角即俯仰角、橫滾角和偏航角，根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)定律可以用三次旋轉(zhuǎn)使得飛行器本身的坐標(biāo)系與地理參考系重合,每一次的旋轉(zhuǎn)以機(jī)體坐標(biāo)系的x、y、z軸中的一個(gè)坐標(biāo)軸來轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過的角度即為歐拉角，三次坐標(biāo)的變換矩陣相乘的積就是歐拉姿態(tài)矩陣[[][]唐懋.基于Arduino兼容的Stm32單片機(jī)的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[D].廈門大學(xué),2014EMBEDEquation.DSMT4(4—6）最終的姿態(tài)矩陣與這三次轉(zhuǎn)動(dòng)的先后順序是有關(guān)系的，通常我們都按照Z-X-Y軸的順序。定義機(jī)體繞本體系x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為俯仰角EMBEDEquation.DSMT4;機(jī)體繞本體系y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為橫滾角EMBEDEquation.DSMT4；機(jī)體繞本體系z(mì)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為航向角EMBEDEquation.DSMT4；三個(gè)角當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)軸符合右手定則為正方向[[]姜成平.一種四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2014]。俯仰角EMBEDEquation.DSMT4、橫滾角EMBEDEquation.DSMT4和航向角EMBEDEquation.DSMT4合稱歐拉角。得到如下姿態(tài)矩陣4—2：[]姜成平.一種四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2014EMBEDEquation.DSMT4（4-7）4。5四元數(shù)姿態(tài)解算算法四元數(shù)其實(shí)是1個(gè)單位實(shí)數(shù)和3個(gè)虛數(shù)單位EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4的線性組合，一般可表示為d+aEMBEDEquation.DSMT4+bEMBEDEquation.DSMT4+cEMBEDEquation.DSMT4，a、b、c、d代表實(shí)數(shù)［[]郭曉鴻.微型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué).2012]。[]郭曉鴻.微型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué).2012四元數(shù)乘法運(yùn)算關(guān)系如下：EMBEDEquation.DSMT4式中，EMBEDEquation.DSMT4表示的是四元數(shù)的乘法。四元數(shù)與姿態(tài)矩陣之間的關(guān)系：設(shè)有參考坐標(biāo)系R，坐標(biāo)軸X0、Y0、Z0，坐標(biāo)軸方向的單位向量為EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4［[]韓嘯.基于陀螺儀的機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)定位研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2013]。剛體相對(duì)于坐標(biāo)系R作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，定點(diǎn)為O,把坐標(biāo)系b與剛體固聯(lián),b系的坐標(biāo)軸為x、y、z，坐標(biāo)軸方向的單位向量為EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4[[]胡志娟.理論力學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化探索[D].四川師范大學(xué).2003］。假設(shè)初始時(shí)刻b系與R系重合。在剛體上任取一點(diǎn)A，從O點(diǎn)向該點(diǎn)引向量EMBEDEquation.DSMT4，如圖4。3所示.則該位置向量描述了剛體的空間角位置[[]彭勁松.機(jī)載激光捷聯(lián)慣導(dǎo)優(yōu)化算法研究[D]西北工業(yè)大學(xué).2006]。[]韓嘯.基于陀螺儀的機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)定位研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué).2013[]胡志娟.理論力學(xué)教學(xué)現(xiàn)代化探索[D].四川師范大學(xué).2003[]彭勁松.機(jī)載激光捷聯(lián)慣導(dǎo)優(yōu)化算法研究[D]西北工業(yè)大學(xué).2006圖4。3剛體的等效轉(zhuǎn)換設(shè)剛體以EMBEDEquation.DSMT4=EMBEDEquation.DSMT4相對(duì)R系旋轉(zhuǎn)，初始時(shí)刻位置處于EMBEDEquation.DSMT4=EMBEDEquation.DSMT4，經(jīng)過時(shí)間t后位置向量處于EMBEDEquation.DSMT4.根據(jù)歐拉定理，剛體從EMBEDEquation.DSMT4位置轉(zhuǎn)到EMBEDEquation.DSMT4位置的轉(zhuǎn)動(dòng)可等效成繞瞬軸EMBEDEquation.DSMT4轉(zhuǎn)過EMBEDEquation.DSMT4角一次完成[[]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社,2006]。這樣，位置向量做圓錐運(yùn)動(dòng)，EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4位于同一圓上，EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4位于同一圓錐面上。[]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社,2006在圓上取一點(diǎn)B,是EMBEDEquation.DSMT4，由圖4。3可得。EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4所以EMBEDEquation.DSMT4由三重矢量計(jì)算公式：EMBEDEquation.DSMT4即EMBEDEquation.DSMT4所以EMBEDEquation.DSMT4將上式向R系內(nèi)投影：EMBEDEquation.DSMT4記EMBEDEquation.DSMT4，EMBEDEquation.DSMT4，EMBEDEquation.DSMT4根據(jù)叉乘關(guān)系表達(dá)式：EMBEDEquation.DSMT4記EMBEDEquation.DSMT4(4-8)則EMBEDEquation.DSMT4所以EMBEDEquation.DSMT4(4-9)令EMBEDEquation.DSMT4(4-10）則式（4—4)可以寫成：EMBEDEquation.DSMT4（4-11)記剛體固聯(lián)坐標(biāo)系為b系。所以EMBEDEquation.DSMT4而在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，位置向量和b系都同剛體固聯(lián)，所以位置和b系的相對(duì)位角位置不變，即有EMBEDEquation.DSMT4因此可得:EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4該式說明EMBEDEquation.DSMT4即為b系至R系的坐標(biāo)變換矩陣,根據(jù)式(4-3）和（4—5)EMBEDEquation.DSMT4即EMBEDEquation.DSMT4（4-12)令EMBEDEquation.DSMT4（4-13)并以EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4構(gòu)造四元數(shù)：EMBEDEquation.DSMT4（4—14)可得如下結(jié)論：（1）四元數(shù)EMBEDEquation.DSMT4描述了剛體的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)[[]司宏源.超視距空空導(dǎo)彈導(dǎo)航精度分析及誤差分配技術(shù)研究[D]上海交通大學(xué).2012］，EMBEDEquation.DSMT4包含了等效旋轉(zhuǎn)的全部信息，EMBEDEquation.DSMT4為旋轉(zhuǎn)瞬軸的旋轉(zhuǎn)方向，EMBEDEquation.DSMT4為轉(zhuǎn)過的角度。[]司宏源.超視距空空導(dǎo)彈導(dǎo)航精度分析及誤差分配技術(shù)研究[D]上海交通大學(xué).2012(2）四元數(shù)可以確定出b系至R系的坐標(biāo)變換矩陣。將（4-8)代入(4—7）得：EMBEDEquation.DSMT4(4—15）由于EMBEDEquation.DSMT4，所以可進(jìn)一步得出如下結(jié)論：EMBEDEquation.DSMT4(4—16）如果將向量EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4看作零標(biāo)量的四元數(shù)，則EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4間的變換關(guān)系可采用四元數(shù)乘法表示：EMBEDEquation.DSMT4該式稱為坐標(biāo)變換的四元數(shù)乘表示方法,其中EMBEDEquation.DSMT4為R系至b系的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)。證明如下:EMBEDEquation.DSMT4(4-17)對(duì)比式(4—11)知上式矩陣中右下角的3EMBEDEquation.DSMT43方塊即為EMBEDEquation.DSMT4，所以式（4—12）可寫成：EMBEDEquation.DSMT4即EMBEDEquation.DSMT4該式稱為坐標(biāo)變換的矩陣表示法.所以四元數(shù)乘法表示法和矩陣表示法是等價(jià)的。如果參考坐標(biāo)系R是導(dǎo)航坐標(biāo)系n,剛體的固聯(lián)坐標(biāo)系b為機(jī)體坐標(biāo)系，則坐標(biāo)變換矩陣EMBEDEquation.DSMT4就是姿態(tài)矩陣EMBEDEquation.DSMT4，而由姿態(tài)矩陣可計(jì)算出姿態(tài)角［[]賈宏光,陳濤,張躍,張榮輝.[]賈宏光,陳濤,張躍,張榮輝.基于四元數(shù)法的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)解算[J].光學(xué)精密工程,2008,16(10):1963-1970記EMBEDEquation.DSMT4,由于在坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的過程中坐標(biāo)系始終保持直角坐標(biāo)系,所以EMBEDEquation.DSMT4為正交矩陣EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4對(duì)比上式可得姿態(tài)角EMBEDEquation.DSMT4(4-18）因此，四元數(shù)EMBEDEquation.DSMT4包含了所有的姿態(tài)信息,姿態(tài)解算實(shí)際上是如何計(jì)算四元數(shù)EMBEDEquation.DSMT4。下面來介紹如何計(jì)算四元數(shù)：(1）初始化四元數(shù)假設(shè)當(dāng)前的坐標(biāo)系為地理坐標(biāo)系，則四元數(shù)列向量EMBEDEquation.DSMT4（2）從傳感器獲取載體加速度和角速度從MPU6050讀取三軸加速度計(jì)的測(cè)量值即加速度EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4，陀螺儀的測(cè)量值即角速度EMBEDEquation.DSMT4，EMBEDEquation.DSMT4，EMBEDEquation.DSMT4。(3)將加速度計(jì)得出來三個(gè)軸的加速度值EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4轉(zhuǎn)化為三維的單位向量得到:EMBEDEquation.DSMT4（4-19）(4)將地理坐標(biāo)系的重力向量轉(zhuǎn)換到機(jī)體坐標(biāo)系可得三軸的重力量EMBEDEquation.DSMT4，EMBEDEquation.DSMT4,EMBEDEquation.DSMT4:EMBEDEquation.DSMT4（4-20）(5）將地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到載體坐標(biāo)系下的重力向量和載體坐標(biāo)系測(cè)量的加速度向量外積，得到兩坐標(biāo)系的誤差[[][]趙建軍,陳濱,楊利斌.基于四元數(shù)的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2013,49(4):202-205EMBEDEquation.DSMT4(4—21)(6）陀螺儀誤差是導(dǎo)致機(jī)體坐標(biāo)系誤差的根本原因，因此用兩坐標(biāo)系誤差的PI來補(bǔ)償陀螺儀使得機(jī)體坐標(biāo)系更加準(zhǔn)確.EMBEDEquation.DSMT4（4—22）其中：EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4是調(diào)整參數(shù)，在實(shí)際調(diào)試中確定。其中EMBEDEquation.DSMT4可以等于0，EMBEDEquation.DSMT4可以以0為初始值,0.01步進(jìn)調(diào)節(jié)。（7)四元數(shù)姿態(tài)更新方程[[][]孫冬梅,田增山,韓令軍.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中四元素法求解姿態(tài)角仿真模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2009,29(1):51-60四元數(shù)微分方程為：EMBEDEquation.DSMT4（4—23）其中EMBEDEquation.DSMT4,EMBEDEquation.DSMT4將上式寫成矩陣形式EMBEDEquation.DSMT4（4-24）對(duì)四元數(shù)一階微分方程進(jìn)行一階畢卡算法可得：EMBEDEquation.DSMT4(4-25）（8)對(duì)四元數(shù)進(jìn)行規(guī)范化處理，于是得下式4-21：EMBEDEquation.DSMT4（4—26)(9)以上得到的新的四元數(shù)代表完成了一次四元數(shù)的運(yùn)算，將此四元數(shù)回到開頭，將舊的四元數(shù)更新為新四元數(shù)，作為下一次四元數(shù)運(yùn)算的初始數(shù)，再從（1)開始下一次的四元數(shù)運(yùn)算[[]宮琛.四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)[D][]宮琛.四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)[D]安徽理工大學(xué).2015[]趙翔,杜普選,李虎,等.基于MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,21(3):15-18.EMBEDEquation.DSMT4(4-27)4。6校準(zhǔn)載體航向角通過三軸數(shù)字電子羅盤可以校準(zhǔn)陀螺儀積分獲得的航偏角以消除累計(jì)誤差。如果電子設(shè)備干擾強(qiáng)烈的情況下需要暫停數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)融合[[]嚴(yán)懷成,黃心漢,王敏.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2005,24(10):1-4]，因?yàn)檫@樣測(cè)到的數(shù)據(jù)誤差非常的大。對(duì)地磁傳感器常用的校準(zhǔn)方法之一是平面校準(zhǔn)法［[]胡琦逸.四旋翼飛行器的姿態(tài)估計(jì)與優(yōu)化控制研究[]嚴(yán)懷成,黃心漢,王敏.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2005,24(10):1-4[]胡琦逸.四旋翼飛行器的姿態(tài)估計(jì)與優(yōu)化控制研究[D]杭州電子科技大學(xué).2014[]楊云濤,石志勇,關(guān)貞珍,等,一種基于磁偶極子磁場(chǎng)分布理論的磁場(chǎng)干擾補(bǔ)償方法[J].兵工學(xué)報(bào),2008,29(12):1485-1491.圖4.4xy平面校準(zhǔn)前后對(duì)比同理需要對(duì)豎直平面EMBEDEquation.DSMT4進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前后的對(duì)比圖,如圖4。5所示.圖4。5xz平面校準(zhǔn)前后對(duì)比當(dāng)載體靜止時(shí)，設(shè)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度EMBEDEquation.DSMT4在載體坐標(biāo)系b系各個(gè)軸的分量為EMBEDEquation.DSMT4，在導(dǎo)航坐標(biāo)系R系各軸的分量EMBEDEquation.DSMT4，根據(jù)EMBEDEquation.DSMT4可得：EMBEDEquation.DSMT4(4—28)將4-22式求得的EMBEDEquation.DSMT4、EMBEDEquation.DSMT4代入上式，即可求出EMBEDEquation.DSMT4和EMBEDEquation.DSMT4。航向角EMBEDEquation.DSMT4可由式4—24得出:EMBEDEquation.DSMT4(4-29）

5四旋翼飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5。1系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)5.1。1姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)姿態(tài)參考系統(tǒng)的軟件部分主要是對(duì)MEMS傳感器數(shù)據(jù)和三軸數(shù)字電子羅盤傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)融合，圖5.1給出了姿態(tài)參考系統(tǒng)的軟件流程圖。EMBEDVisio.Drawing.15圖5.1姿態(tài)參考系統(tǒng)程序流程圖通過軟件流程圖可以清楚地看到，系統(tǒng)首先完成MCU內(nèi)部初始化的工作,即配置STM32使用到的外設(shè)，包括時(shí)鐘系統(tǒng)、NVIC中斷控制器、USART串口通信、I2C接口、定時(shí)器；然后進(jìn)行硬件初始化以及系統(tǒng)的姿態(tài)解算，采用模塊化的設(shè)計(jì)，具體包括以下4個(gè)部分:(1）初始化硬件；（2）MEMS慣性測(cè)量單元的數(shù)據(jù)采集模塊；(3）多傳感器數(shù)據(jù)融合的姿態(tài)解算模塊;（4)姿態(tài)信息輸出模塊。首先開啟定時(shí)器中斷,在2.5ms的計(jì)時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)通過I2C接口讀取MEMS傳感器和三軸數(shù)字電子羅盤的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行濾波后，再利用初始校正所得到的校正數(shù)據(jù)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)作校正，校正完后轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理量，再對(duì)其做加權(quán)平均減小誤差,然后進(jìn)行四元數(shù)姿態(tài)解算和地磁數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合輸出姿態(tài)角信息。5.1.2PID控制算法設(shè)計(jì)根據(jù)