四旋翼飛行器姿態(tài)解算與控制的研究.pdf

1、文中通過(guò)原理圖設(shè)計(jì)、各個(gè)模塊的選擇和地面站的介紹，為姿態(tài)的解算和控制提供一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。飛行器的控制核心是基于ARM的微處理器——STM32F103RBT6。通過(guò)機(jī)載慣性導(dǎo)航傳感器，反饋飛行器的姿態(tài)信息，通過(guò)比較控制系統(tǒng)的給定姿態(tài)，不斷的修正飛行器姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)路的穩(wěn)定控制。
　　四旋翼的各個(gè)參數(shù)之間有著復(fù)雜的耦合關(guān)系，使得四旋翼模型階數(shù)較高。在本文分析四旋翼的模型中，首先建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，使四旋翼模型

2、階數(shù)降低。由于電機(jī)是一個(gè)非線(xiàn)性的機(jī)構(gòu)，而螺旋槳的建模更加復(fù)雜，所以在對(duì)電機(jī)螺旋槳進(jìn)行建模的時(shí)候，采用了區(qū)間建模的方法，在一定的范圍內(nèi)，測(cè)量電機(jī)-螺旋槳的轉(zhuǎn)速，然后讀取對(duì)應(yīng)的拉力，通過(guò)線(xiàn)性擬合，得到合適的參數(shù)曲線(xiàn)。最后，對(duì)部分模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以便在仿真時(shí)，降低階數(shù)、減小運(yùn)算量。
　　對(duì)稱(chēng)的電機(jī)和強(qiáng)震動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，給傳感器帶來(lái)較多的干擾信號(hào)，所以在使用四旋翼之前，首先對(duì)各個(gè)慣性傳感器進(jìn)行校正。在校正的過(guò)程中，陀螺儀使用多次測(cè)量取平均值

3、的方法求得零點(diǎn)漂移，加速度計(jì)是通過(guò)矢量平移的方法求取零點(diǎn)漂移。地磁傳感器的零點(diǎn)漂移求取比較困難，本文通過(guò)橢球擬合方法，獲得地磁的零點(diǎn)漂移。
　　文中對(duì)矢量旋轉(zhuǎn)與插值法和梯度下降法兩種求解姿態(tài)的方法進(jìn)行了分析和對(duì)比，通過(guò)比較得到，在矢量旋轉(zhuǎn)插值求算姿態(tài)的時(shí)候，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算量小，但精度略差，使用梯度下降測(cè)量姿態(tài)的時(shí)候，其精度較好，但運(yùn)算量比較大。在不同的工程需要下，可以根據(jù)條件限制選擇合適的算法。由于電機(jī)安裝的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)偏航角的解算造

4、成了較大的誤差，所以需要使用卡爾曼濾波，對(duì)偏航角姿態(tài)進(jìn)行校正。在姿態(tài)控制中，將卡爾曼濾波引入傳統(tǒng)的PID控制中，通過(guò)卡爾曼濾波，能夠使控制中受到噪聲干擾后快速收斂，通過(guò)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)和正弦信號(hào)的跟蹤可以得出，使用傳統(tǒng)PID控制時(shí)，由于干擾信號(hào)的存在，響應(yīng)信號(hào)在期望值附近抖動(dòng)，而使用基于卡爾曼濾波器的PID控制，則能得到理想的輸出信號(hào)。在PID整定的過(guò)程中，使用頻域Ziegler-Nichols參數(shù)整定方法，通過(guò)該方法，結(jié)合四旋翼的數(shù)學(xué)