四旋翼無人飛行器的硬件設(shè)計(jì)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(fèi)效比高、可垂直起降、定點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文在對(duì)國(guó)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(duì)飛行器自動(dòng)駕駛儀的硬件設(shè)計(jì)和航姿算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)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(diǎn)分析了四元數(shù)法和歐拉角法。接著簡(jiǎn)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?，最后根?jù)Newton-Euler定理、剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律和牛頓第二定律建立了四旋翼無人飛行器的動(dòng)力學(xué)模型。
　　其次，以ADI公司推出的高精度慣性測(cè)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(tái)。其平臺(tái)包含機(jī)架、直流無刷電機(jī)、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(tái)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分，包括MCU的選型、電源管理系

3、統(tǒng)的設(shè)計(jì)、硬件的抗干擾設(shè)計(jì)、MEMS慣性傳感器的選型以及功能傳感器的設(shè)計(jì)。
　　然后，對(duì)慣性測(cè)量單元的輸出進(jìn)行了校正、低通濾波處理后，提出了基于最速下降法和改進(jìn)型互補(bǔ)濾波的數(shù)據(jù)融合算法實(shí)時(shí)更新運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過靜動(dòng)態(tài)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證算法的有效性。由于陀螺儀的動(dòng)態(tài)性能卓越，加速度計(jì)和磁力計(jì)的靜態(tài)性能良好。故所提出的融合算法的具體思路為：對(duì)加速度計(jì)和磁力計(jì)進(jìn)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(jìn)型互補(bǔ)濾