四旋翼無人飛行器的硬件設(shè)計與姿態(tài)算法研究.pdf

1、四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、費效比高、可垂直起降、定點懸停的無人駕駛旋翼飛行器，它在軍事偵察、農(nóng)業(yè)噴灑、智能交通、氣象數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域均有著較高的實際應(yīng)用價值。本文在對國內(nèi)外四旋翼無人飛行器以及飛行控制系統(tǒng)和姿態(tài)算法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對飛行器自動駕駛儀的硬件設(shè)計和航姿算法進行了設(shè)計與實現(xiàn)。
　　本文首先介紹了四旋翼無人飛行器的姿態(tài)描述方法，重點分析了四元數(shù)法和歐拉角法。接著簡要分析了飛行器在飛行過程中的受力/力矩情況，然后結(jié)合飛行器

2、的飛行原理，設(shè)置適當(dāng)?shù)奈锢砹孔鳛榭刂戚斎耄詈蟾鶕?jù)Newton-Euler定理、剛體轉(zhuǎn)動定律和牛頓第二定律建立了四旋翼無人飛行器的動力學(xué)模型。
　　其次，以ADI公司推出的高精度慣性測量單元ADIS16405為核心，采用ST公司生產(chǎn)的高精度微控制器STM32F427搭建了飛行器的飛行平臺。其平臺包含機架、直流無刷電機、電子調(diào)速器、正反槳、九通道遙控器、飛控板等部件。其中，飛控板是飛行平臺的重點設(shè)計部分，包括MCU的選型、電源管理系

3、統(tǒng)的設(shè)計、硬件的抗干擾設(shè)計、MEMS慣性傳感器的選型以及功能傳感器的設(shè)計。
　　然后，對慣性測量單元的輸出進行了校正、低通濾波處理后，提出了基于最速下降法和改進型互補濾波的數(shù)據(jù)融合算法實時更新運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過靜動態(tài)半實物仿真實驗進行對比分析，驗證算法的有效性。由于陀螺儀的動態(tài)性能卓越，加速度計和磁力計的靜態(tài)性能良好。故所提出的融合算法的具體思路為：對加速度計和磁力計進行最速下降融合得到靜態(tài)性能良好的靜態(tài)數(shù)據(jù)，再通過改進型互補濾