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基于MPU9150的四轴飞行器姿态控制系统设计
Design of attitude control system for quadrotor based on MPU9150
朱 阳，王伟成，王民慧
ZHU Yang, WANG Wei-cheng, WANG Min-hui
（贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025）
摘 要：无人机系统在各种军用领域和民用领域已得到广泛应用，该技术主要应用在雷达定位、野火管
理、农业监测、环境监测和航拍及搜索救援任务，其中四轴飞行器以其简单的机械结构、更小的螺旋桨、优良的飞行安全性能和先进控制算法的应用等优势具有更广泛的前景。针对四轴飞行器的姿态控制，介绍了基于MPU9150传感器，以STM32系列STM32F103C8T6处理器为控制单元的四轴飞行器姿态控制系统的组成和工作原理，详细论述了系统如何采集姿态传感器数据，并对数据进行融合，最后根据融合的数据判断自身运动状态。实验结果验证了该系统能够较好满足四轴飞行器飞行姿态控制的要求，达到稳定飞行的效果。
关键词：无人机系统；四轴飞行器；MPU9150；姿态控制中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)05(下)-0046-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.05(下).14
收稿日期：2015-02-05
基金项目：贵州大学研究生创新基金（研理工2014043）
作者简介：朱阳（1991 -），男，江西人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统与自动化装置。 0 引言
我国地域广大，自然条件复杂，是世界上自然灾害最为严重的国家之一。地震等自然灾害不仅给救灾带来不利，也进一步增加了施救的难度，加大了施救者受伤的危险程度。虽然自然灾害的发生无法阻止，但是减少灾害带来的二次伤害是可以实现的[1]，例如可以开发微型无人驾驶飞行器，对上述不可达的危险地域进行探测和搜寻即可减少伤害的发生，尤其是在地势险要或者人员无法到达的地区，能够准确地把侦查到的信息传送回来。而四轴飞行器能以灵活性、多功能性以及高效的处理能力来胜任复杂环境中的信息获取的角色。同时，与传统的搜救直升机相比，四轴飞行器以其简单的机械结构、更小的螺旋桨、优良的飞行安全性能和先进控制算法的应用等优势具有更广泛的前景。
本文基于S T M 32F 103C 8T 6微处理器，采用MPU9150惯性测量模块，设计了四轴飞行器姿态控制系统。STM32系列处理器是ST 公司推出的一款基于高性能、低成本、低功耗、外设丰富的嵌入式处理器，应用专门设计的低功耗高速内核丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求，与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源。MPU9150系统集成度高，包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，电路简单可靠，测量范围广，准确度高，动态响应快，体积小、功耗低，能够快速的融合陀螺仪和加速度计数据得出姿态四元数，适合用于四轴飞行器的姿态控制系统。
1 四轴飞行器结构与原理
四轴飞行器的基本结构如图1所示，飞行器在空中运动中，为了使整个机体转矩平衡，采用正反桨设计，即对角线的两组桨相同，相邻的两个桨相反，分为顺时针旋转（1、3）和逆时针旋转（2、4），这样正常飞行时两个桨正转两个桨反转，转矩抵消，避免飞行器打转[2]，当然，旋转时需加大两个正浆或两个反浆来改变总的转矩，从而改变偏航角，控制对角线上的一组桨的转速不同，使机体倾斜一个角度产生水平分力推动飞行器平移，飞行速度可以由俯仰角的大小与电机的转速来控制，最终实现飞行器的偏航运动、上下飞行与前后飞行。
图1 四轴飞行器的基本结构图
2 姿态控制系统功能
四轴飞行器有6个自由度，而只有4个控制输入，因此，四轴飞行器的控制问题属于欠驱动控制问题，具有不稳定和强耦合等特点。除了受自身机械结构和旋翼空
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气动力学影响外，还很容易受到外界干扰。其中姿态控制是四轴飞行器研究的重点，姿态传感器数据的采集并对数据进行融合处理都是姿态控制的关键，要求飞行器具有快速响应能力，及时进行自适应调整，以确保飞行器姿态稳定。
本文主要研究对象是四轴飞行器的姿态，根据姿态控制子系统的数学模型[3]，有两个基本坐标系：“地理”坐标系和“载体”坐标系。地理坐标系即当地水平坐标系，也称NED 坐标系，而“载体”坐标系指的是四轴自己的坐标系。姿态的数据来源有五个：重力、地磁、陀螺仪、加速度计和电子罗盘。其中前两个来自“地理”坐标系，后三个来自“载体”坐标系。在“地理”坐标系中，重力的值始终是（0,0,1g ），地磁的值始终是（0,1,x ），这值就是由放置在四轴上的传感器测量出来的。姿态控制系统需要检测的状态有：飞行器在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。机体坐标系如图2所示，该坐标系固定在机体上，原点在飞行器重心，轴OX 与前后螺旋桨连线平衡，前方指向X 轴正方向；轴OY 与左右螺旋桨连线平衡，右方指向Y 轴正方向；轴OZ 与轴OY 、OX 所在平面垂直，并与轴OY 、轴OX 组成右手坐标系。
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图2 机体坐标系
飞行器运动过程可以分解成机体绕三个轴运动来描述：当飞行器升降运动时，飞行器即做俯仰运动，飞行器在X-Z 平面进行绕Y 轴运动，产生的角度即俯仰角(pitch)；当飞行器发生转向运动时，飞行器将产生偏航，飞行器在X-Y 平面进行绕Z 轴运动，产生的角度即航向角(yaw)；当让飞行器侧身移动时，飞行器将要做横滚运动，飞行器在Y-Z 平面进行绕X 轴转动，产生的角度即航滚角(roll)。
整个姿态控制系统担负着传感器信息采集、数据融合及姿态解算等各种任务，其主要工作过程是主控制器能快速获得各传感器的数据，实时检测无人机的状态，包括姿态、位置、速度等信息，并对数据进行处理；在计算出自身姿态之后，飞行器需要控制电机来执行相应的姿态调整，采用PID 控制器来获得电机控制量，以PWM 的方式输出驱动电机，以实现对其姿态的控制。
3 硬件电路设计
3.1 MPU9150性能分析
随着微机械加工技术和微电子技术的不断发展与相互融合，各种基于MEMS(微机电系统)技术的元器件应运而生，它们具有功耗低、可靠性、工作效率高及成本低等特点，易于实现智能化、数字化及批量化。MPU9150芯片就是一种MEMS 传感器芯片，其具有MEMS 的抗冲击能力强、系统集成度高、体积小、成本低、功耗低，性能优良的特点。MPU9150是全球第一款九轴惯性传感芯片，包含了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，其中加速度和陀螺仪的精度为16bit ，磁力计的精度为13bit ，保证了测量的精确度，其加速度计的量程有±2g ，±4g ，±8g ，±16g 可选，陀螺仪的量程为±250，±500，±1000，和±2000O/sec 可选，磁力计的满量程为±1200uT ，并且内置DMP 用于姿态融合[4]。使MPU9150在无人机飞行控制系统中使用非常方便。MPU9150引脚功能描述如表1所示，典型接线图如图3所示。
表1 MPU9150引脚描述
引脚编号
引脚名称描述
1CLKIN 可选外部时钟输入，不用则接GND 6ES_DA I2C 主串行数据，用于外接传感器7ES_CL I2C 主串行时钟，用于外接传感器
8VLOGIC 数字I/O 供电电压
9AD0I2C Slave 地址LSB （AD0）
10REGOUT 校准滤波电容连线
11FSYNC 帧同步数字输入，不用则接GND 12INT 中断数字输出（推挽或开漏）3,13VDD 电源电压及数字I/O 供电电压
15,17,18GND 电源地20CPOUT 电荷泵电容连线
22CLKOUT 系统时钟输出23SCL I2C 串行时钟(SCL)24SDA I2C 串行数据(SDA)
2,4,5,14,16,19,21
RESV
预留，不接
图3 MPU9150典型接线图
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3.2 硬件电路结构
为了实现飞行器姿态控制，需要得到飞行器的俯仰角和滚转角作为姿态反馈，形成闭环控制，为提高其飞行稳定性，需加入角速率反馈以增加阻尼，飞行器的飞行姿态通过惯性测量单元来获取，系统采用整合了3轴陀螺仪、3轴加速计、3轴磁力计的9轴运动处理组件MPU-9150，消除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题；并引入磁力传感器互补数据，可采用四元数来描述姿态，可以避免欧拉角的奇异问题；另外陀螺仪具备增强偏置和温度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能；加速计则具备可编程中断和自由降落中断的功能。MPU-9150姿态检测电路图如图4
所示。
图4 MPU-9150姿态检测电路
4 姿态解算与数据融合分析
4.1 姿态解算
姿态解算部分是飞行器控制系统的核心，主要负责
读取姿态传感器数据，从中解算出飞行器姿态，并将其作为姿态反馈，形成闭环控制，将期待的姿态与当前姿态的数据差值提供给PID 控制器，从而计算得到电机的控制量。
姿态解算主要用到陀螺仪、加速度计和磁力计三个传感器的数据。由于陀螺仪输出的角速度瞬时数据积分后存在较大累积误差，且积分角度偏差随着时间增大而增大；而加速度计对绕重力加速度轴的转动无法感知，因此长时间的自旋运动将无法估计，这就需要引入磁力计来弥补这一不足。因此，用加速度计对陀螺仪进行不断的校正，引入磁力计互补数据，融合三者的数据才能更准确的反应出当前飞行器的姿态[5]。
目前常用的姿态解算方法主要有梯度下降法，互补滤波法，卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据。考虑到MPU9150传感器有一个内置的DMP ，能够快速融合陀螺仪和加速度计的输出，而且输出的姿态数据很稳定，动态性能很好，虽然DMP 中算法没有融合磁场数据，导致航向角在使用一段时间后会不可逆转的偏离正确位
置，但可以采用卡尔曼滤波的方法，对两个航向角进行滤波，同时将磁场数据融合进去，以纠正航向角的偏差，从而既保证了其动态性能，又保证长时间运行航向角不会出现偏差。因此这里采用卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据的飞行姿态解算方法。算法流程图如图5所示。
图5 卡尔曼融合DMP 和磁场数据流程图
4.2 数据融合分析
4.2.1 静态效果分析
实验方法为先将MPU9150模块静止放置20s ，然后再对其连续采样12s
，采样频率为50Hz 。数据处理方法
是，对每个轴输出的欧拉角数据求平均值。
∑==n
i xi
E 1
)x ( 然后再求方差：
∑=?=n
i xi x D 1
2
)()x ( 通过静止时方差的大小来分析其静态性能。卡尔曼融合DMP 和磁场数据算法的核心在于确定卡尔曼滤波中的系统自协方差Q 和测量值的自协方差R 两个系数。不同Q 值和R 值的静态航向角方差结果如表2所示。
表2 卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据在静态时航向角方差。Q R
0.10.20.50.90.0010.06980.04790.02420.02380.00010.02750.01560.008720.004670.00001
0.00663
0.00299
0.00174
0.00113
图6 卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据在静态时航向角方差
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从上图中可以明显看出航向角的静态方差随着R 的增大而变小，随着Q 的变小而变小，且Q 越大方差随R 变化效果越明显。最后列出Q=0.00001，R=0.9静态效果如图7
所示。
图7 卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据静态效果
从静态效果图可以看出，卡尔曼融合DMP 和磁场数据的方法中航向角的误差最小可达到0.00113。表明在保证纠正效果--即姿态角不漂移的前提下卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据的算法静态效果理想。
4.2.2 动态效果分析
在确保静态性能良好的条件下，采用一个将航向角快速旋转180°的方法来验证卡尔曼融合DMP 输出和磁场数据算法的动态性能。结果如图8所示。
由图8可以看出卡尔曼融合DMP 和磁场数据的算法能很好的反应真实的旋转过程。
综合静态和动态性能分析，卡尔曼融合DMP 和磁场数据的算法不仅在静态性能上表现很好，而且在动态性能方面也表现良好。可以得到稳定的姿态数据，实现良好的姿态控制，从而使飞行器达到稳定飞行的效果。
5 结束语
四轴飞行器是一种特殊结构的飞行器，其在民用及
军事方面都有着广阔的应用前景[6]。本文根据四轴飞行器姿态控制系统的数学模型，对姿态控制系统的功能要
求进行了分析，以STM32为主控制器，采用MUP-9150芯片进行姿态控制，并采用卡尔曼融合DMP 和磁场数据的算法进行姿态解算，实现了飞行器良好的姿态控制。整个姿态控制系统集成度高，精度高，在测量精度、动态性能以及硬件电路方面均能满足要求，为飞行器姿态控制系统的设计提供了一种高效稳定的实现方法[6]。实验结果表明，系统满足四轴飞行器飞行姿态控制的要求。
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图8 卡尔曼融合DMP 和磁场数据(Q=0.00001，R=0.1)
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课程设计任务书 学生姓名： 李攀 专业班级： 自动化0804 指导教师： 谭思云 工作单位： 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件： 飞行器控制系统的开环传递函数为： ) 2.361(4000)(+= s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 008.0≤，单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于85度。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） （1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； （4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： （1） 课程设计任务书的布置，讲解 （一天） （2） 根据任务书的要求进行设计构思。（一天） （3） 熟悉MATLAB 中的相关工具（一天） （4） 系统设计与仿真分析。（四天） （5） 撰写说明书。 （两天） （6） 课程设计答辩（一天） 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
摘要 根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统，既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还有考虑方案的可靠性和经济性。本说明书介绍了在给定的技术指标下，对飞行器控制系统的设计。为了达到给定要求，主要采用了串联之后—超前校正。 在对系统进行校正的时候，采用了基于波特图的串联之后—超前校正，对系统校正前后的性能作了分析和比较，并用MATLAB进行了绘图和仿真。对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。 关键词：飞行器控制系统校正 MATLAB
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月
毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 学生：夏纯 指导教师：许亮 专业：电子信息工程 所在单位：电气与电子信息工程学院答辩日期： 2015 年6月
目录 摘要.......................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 第1章绪论. (1) 论文研究背景及意义 (1) 国内外的发展情况 (2) 本文主要研究内容 (4) 第2章总体方案设计 (5) 总体设计原理 (5) 总体设计方案 (5) 系统硬件电路设计方案 (5) 各部分功能作用 (6) 系统软件设计方案 (7) 第3章系统硬件电路设计 (8) Altium Designer Summer 09简介 (8) 总体电路设计 (8) 遥控器总体电路设计 (8) 飞行器总体电路设计 (10) 各部分电路设计 (10) 电源电路设计 (10) 主控单元电路设计 (12)
无线通信模块电路设计 (13) 惯性测量单元电路设计 (16) 电机驱动电路设计 (18) 串口调试电路设计 (19) PCB设计 (21) PCB设计技巧规则 (21) PCB设计步骤 (22)
PCB外形设计 (23) 实物介绍 (25) 第4章系统软件设计 (27) Keil 简介 (27) Keil MDK概述 (27) Keil MDK功能特点 (27) 软件设计框图 (28) 软件调试仿真 (29) 飞控软件设计 (30) MPU6050数据读取 (30) 姿态计算IMU (32) PID电机控制 (32) 结论 (36) 致谢 (38) 参考文献 (39) 附录1 遥控器主程序源代码 (40) 附录2 飞行器主程序源代码 (45) 附录3 遥控器原理图 (50) 附录4 飞行器原理图 (51)
四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器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，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、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。 关键词：四轴飞行器；姿态；控制
目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)
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。 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，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。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤维材料的机架。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。 CA D设计机架如图： 整体如图2-1： 电气构成 电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成
大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要：本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，超声波传感器进行测距，起飞后悬停在一定高度，打靶后降落。 关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制
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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误！未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误！未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 一、对最简单的角位移系统的评价 1、某低速飞机本身具有较好的短周期阻尼，采用这种简单的控制规律是可行的。它的传递函数为： open p3_6 系统根轨迹为： nem1=-12.5; den1=[1 12.5]; sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-1 -3.1]; den2=[1 2.8 3.24 0]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 随着k的增大，该系统的一对闭环复极点的震荡阻尼逐渐减小。但由于飞机本身的阻尼较大，所以当k增大致1.34时，系统的震荡阻尼比仍有0.6。k增大到6.2时系统才开始不稳定。 2、现代高速飞机的短周期运动自然阻尼不足，若仍采用上述单回路控制系统则不能胜任自动控制飞机的要求。 open p3_10 系统根轨迹为： nem1=-10; den1=[1 10]; sys1=tf(nem1,den1);
nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3 0]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 随着k增大，系统阻尼迅速下降。当k=1.06时，处于临界稳定。所以无法选择合适的k值以满足系统动静态性能。为了使系统在选取较大的k值基础上仍有良好的动态阻尼，引入俯仰角速度反馈。 二、具有俯仰角速率反馈的角位移自动驾驶仪参数设计open p3_16 1、系统内回路根轨迹为： nem1=-10; den1=[1 10]; sys1=tf(nem1,den1); nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) 按物理概念似乎速率陀螺的作用越强，阻尼效果越显著。但根轨迹分析告诉我们，只有在一定范围内这种概念才是正确的，否则会得到相反的效果。这种现象是由舵回路的惯性造成的。舵回路具有不同时间常数时的内回路根轨迹图： Tδ=0 sys1=-1; nem2=[-4.3 -4.3*0.33]; den2=[1 0.61 3.3]; sys2=tf(nem2,den2); sys=series(sys1,sys2); rlocus(sys) Tδ=0.1
摘要 本设计采用瑞萨R5F100LEA单片机作为主控制器。超声波传感器实时发送飞行高度数据给主控系统，主控制器通过判断、分析、处理产生控制信号进而控制各个电机，使其在不同的飞行高度具有不同的速度，保证了飞行器在某一高度范围内飞行；主控制器读取MPU6050陀螺仪的数据，通过对采集数据的分析，使飞行器做出相应的姿态调整，来保持飞行器能够平稳飞行；激光传感器能够对白色场地上的黑线进行识别，达到循迹的目的。本设计通过对飞行控制系统的总体框架设计，实现了飞行控制系统的硬件设计和软件设计，并对设计中的关键技术问题进行了研究，最终实现了四旋翼飞行器的一键启动自主飞行控制。 关键词：R5F100LEA 传感器姿态控制四旋翼飞行器
1. 四旋翼自主飞行器简介 1.1 结构形式 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1 所示。 图1.1 四旋翼飞行器结构形式 1.2 工作原理 传统直升机是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。
课程设计任务书 学生姓名：________ 专业班级： _______________ 指导教师：_______ 工作单位： ____________ 题目：飞行器控制系统设计 初始条件： 飞行器控制系统的开环传递函数为： G（s） -^500^ s（s 361.2） 控制系统性能指标为调节时间0.01s，单位斜坡输入的稳态误差 0.000521，相角裕度大于84度。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） （1）设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2）画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3）用Matlab画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； （4）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析 计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab源程序或Simulink仿 真模型，说明书的格式按照教务处标准书写 时间安排：
指导教师签名： 系主任（或责任教师）签名: 目录 1串联滞后—超前校正的原理............ 错误! 未定义书签。 2 飞行器控制系统的设计过程. ................. 错误! 未定义书签。 2.1 飞行器控制系统的性能指标............... 错误! 未定义书签。 2.2 系统校正前的稳定情况................. 错误! 未定义书签。 2.2.1 校正前系统的波特图............. 错误! 未定义书签。 2.2.2 校正前系统的奈奎斯特曲线 (2) 2.2.3 校正前系统的单位阶跃响应曲线......... 错误! 未定义书签。 2.3 飞行器控制系统的串联滞后—超前校正 (4) 2.3.1 确定校正网络的相关参数 (4) 2.3.2 验证已校正系统的性能指标 (6) 2.4 系统校正前后的性能比较 (8) 2.4.1 校正前后的波特图 (8) 2.4.2 校正前后的奈奎斯特曲线 (9) 2.4.3 校正前后的单位阶跃响应曲线 (11) 3 设计总结与心得体会 (12) 参考文献 (13)
四轴飞行器电机控制模块设计
密级： NANCHANG UNIVERSITY 学士学位论文THESIS OF BACHELOR （2011—2015年） 题目四轴飞行器电机控制模块设计 学院：信息工程学院系自动化系专业班级：测控技术与仪器111班学生姓名：吕晴学号：5801211011 指导教师：张宇职称：讲师起讫日期：2015-3-5 ~ 2015-6-2
南昌大学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名：日期： 导师签名：日期：
摘要 四轴飞行器电机控制模块设计 专业: 测控技术与仪器学号: 58012110011 学生姓名：吕晴指导老师：张宇 摘要 本课题是针对四轴飞行器在已经获得传感器测得的精确数据的情况下，设计合理的电路和算法，实现四轴飞行器稳定飞行和各种姿态变换。本课题的主要内容是对四轴飞行器的电机控制模块进行软硬件设计。 四轴飞行器是智能机器人的一种，它是由四个旋翼旋转产生升力，通过协调各旋翼的转速来实现飞行器的姿态控制。与传统的无人机相比，四轴飞行器具有很强的机动灵活性和载荷能力，特别适合在理想稳态或者准稳态的飞行条件下进行全方位垂直起降，在军事和民用领域均拥有广阔的发展前景[2]。 本论文对四轴飞行器的电机控制模块进行了调研，并设计出了相关的硬件电路板以及软件控制算法。具体内容如下： 首先建立四轴飞行器的动力学模型，四轴飞行器的动力学建模分为力学建模和运动学建模两个部分，总体思想是将四轴飞行器看作一个刚体，选定当前的姿态角和目标姿态为输入量，在理想的条件下，推导出控制四轴飞行器所需的四个电机的控制量作为输出量的方程，即建立四轴飞行器受力与姿态之间的关系。 其次对四轴飞行器电机控制模块进行合理的硬件设计，硬件部分分为了电源模块、主控模块、电机驱动模块、检测模块、无线通讯模块五个模块。其中选择了STM32系列单片机作为主控模块的微处理器，选择了三相无刷直流电机作为动力源，无刷电调对其进行调速。 再次设计合理的控制算法，本课题采用了经典PID算法，临界比例度法对PID参数进行了初步整定，再在试验中对参数进行微调。 最后针对四轴飞行器电机控制模块设计了合理的软件流程。 关键词：四轴飞行器；动力学模型；电机；PID控制算法
1、引言 四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器，与普通的飞行器相比具有结构简单，故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点，在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景，非常适合在狭小空间内执行任务。因此四旋翼飞行器具有广阔的应用前景，吸引了众多科研人员，成为国内外新的研究热点。 本设计主要通过利用惯性测量单元（IMU）姿态获取技术、PID电机控制算法、2.4G 无线遥控通信技术和高速空心杯直流电机驱动技术来实现简易的四轴方案。整个系统的设计包括飞控部分和遥控部分，飞控部分采用机架和控制核心部分一体设计增加系统稳定性，遥控部分采用模拟摇杆操作输入使操作体验极佳，两部分之间的通信采用2.4G无线模块保证数据稳定传输。飞行控制板采用高速单片机STM32作为处理器，采用含有三轴陀螺仪、三轴加速度计的运动传感器MPU6050作为惯性测量单元，通过2.4G无线模块和遥控板进行通信，最终根据PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机来达到遥控目标。 2、系统总体设计 系统硬件的设计主要分要遥控板和飞控板两个部分，遥控板采用常见羊角把游戏手柄的外形设计，控制输入采用四向摇杆，无线数据传输采用2.4G无线模块。飞控板采用控制处理核心和机架一体的设计即处理器和电机都集成在同一个电路板上，采用常规尺寸能够采用普通玩具的配件。系统软件的设计同样包括遥控板和飞控板两部分的工作，遥控板软件的设计主要包括ADC的采集和数据的无线发送。飞控板的软件的设计主要包括无线数据的接收，自身姿态的实时结算，电机PID增量的计算和电机的驱动。整个四轴飞行器系统包括人员操作遥控端和飞行器控制端，遥控端主控制器STM32通过ADC外设对摇杆数据进行采集，把采集到的数据通过2.4G无线通信模块发送至飞控端。飞控板的主要工作就是通过无线模块进行控制信号的接收，并且利用惯性测量单元获得实时系统加速度和角速度原始数据，并且最终解算出当前的系统姿态，然后根据遥控板发送的目标姿态和当姿态差计算出PID电机增量，然后通过PWM驱动电机进行系统调整来实现飞行器的稳定飞行。系统的总体设计框图如图1所示。 图1 系统总体设计框图
学号： 课程设计 题目飞行器控制系统设计 学院自动化学院 专业自动化 班级自动化1002班 姓名 指导教师肖纯 2012 年12 月19 日
课程设计任务书 学生姓名： 专业班级：自动化1003班 指导教师： 肖 纯 工作单位： 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为： ) 2.361(4500)(+= s s K s G 要求设计控制系统性能指标为调节时间ts 008.0≤秒，单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于75度。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） （1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统 的动态性能指标； （4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析 计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
随着经济的发展，自动控制技术在国民经济中发挥着越来越重要的作用。自动控制就是在没有人的参与下，系统的控制器自动的按照人预订的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。在实际中常常要求在达到制定性能指标的同时能更加节约成本、能具有更加优良的效果。本次飞行器设计中，采用频域校正的方法使系统达到指定的性能指标，同时采用matlab仿真软件更加直观的进行仿真分析和验证。 在此设计中主要采用超前校正的方法来对系统进行性能的改进，通过分析、设计、仿真、写实验报告书的过程，进一步加深了对自动控制原理基本知识的理解和认识，同时通过仿真系统的奈奎斯特图、bode图、单位阶跃响应曲线，进一步理解了系统的性能指标的含义，同时也加深了对matlab仿真的掌握，培养了认识问题、分析问题、解决问题的能力。
四轴飞行器原理、设计与控制 四轴飞行器设计与用途 学院：广东白云技师学院 专业：电子信息工程与电气技术（技师本科） 制作学生：邹剑平 指导老师：廖高灵 四轴飞行器简介 配置： 单片机AVRATMEGA168PA 三轴数字陀螺仪MPU—3050电机（无刷）XXD22121000KV电子调速器（无刷）好盈天行者40A螺旋桨1045 电池格氏2200mAh11.1V25C机架DIY 机架材料玻璃纤维铝合金 四轴飞行器飞行原理 重心的距离相等,当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡,四轴不会向任何一个四轴飞行器有四个电机呈十字形排列,驱动四片桨旋转产生推力;四个电机轴距几何中方 向倾转;而四个电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡,保证了四轴航向的稳定. 此飞行控制板规定四轴电机的排布方式如图所示:前(1号),后(4号),右(3号),左(2号). 1,4号电机顺时针方向旋转,2,3号电机逆时针方向旋转.四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动:
当四轴需要向前方运动时,2,3号电机保持转速不变,1号电机转速下降,4号电机转速上升,此时4号电机产生的升力大于1号电机的升力,四轴就会沿几何中心向前倾转,桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动. 当四轴要转向左转向时,1,4号电机转速上升,2,3号电机转速下降,使向左的反扭距大于向右的反扭矩,四轴在反扭距的作用下向左旋转. 四个桨产生的推力,超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动,当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停. 其他方式的运动原理与以上过程类似.四轴飞行原理虽然简单,但实现起来还需很多工作要做. 四轴飞行器控制流程图 四轴飞行器的优点 四轴飞行器与其他飞机比较相对稳定性高；四轴飞行器与其他飞机比较相对抗风能力强；载重量大(本机最大安全载重1100g);姿态灵活，反应速度快；可超低空飞行； 四轴飞行器主要用途 可做无人侦察机，空中航拍（FPV），可作为新型微型机器人。娱乐飞行表演 四轴飞行器的特点及魅力除了深受DIY爱好者的青睐之外，还有几点供大家品味： 1、是它的相对简单地机械构造。正因为简单，安全指数大大提高。 无论是作为航空模型还是作为遥控平台，安全永远是第一位的。 2、是它的相对稳定性。飞行姿态平滑稳定，机械振动被仅可能地减小是四轴的又一魅力，装载图像设备再好不过了。 3、是它的相对成本低廉，花尽可能少的钱获取最大的性价比是我们追求的境界，为工业开发其商业用途奠定了必要的基础。
飞行器姿态控制方法综述 一.引言 经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。这些飞行器能在空中按预定的轨迹运动总离不开它的姿态控制系统，飞行器在空间的运动是十分复杂的。为使问题简单化，总是将一飞行器的空间运动分解为铅锤平面的纵向运动和水平面内的侧向运动，将飞行器在空间的角运动分解成俯仰、偏航和滚动三个角运动。由于角运.动使飞行器的姿态发生变化，所以对角运动的控制就是对飞行器姿态的控制。对于飞行器姿态的控制，不同的飞行器需要不同的策略，本文主要就飞行器姿态控制方法的应用与发展作一一论述。 二.姿态控制的数学模型 要控制飞行器的姿态，就是要控制使飞行器三个姿态角发生变化的力矩大小。飞行器的姿态模型可以认为是一类不确定MIMO 仿射非线性系统，如式(1)所示： ()//()//()//(cos sin )/cos cos sin sin tan cos tan x y z y x x x x x z x x x y y y x x y x y z z z x x x z x y z I I I M I I I I M I I I I M I ωωωωωωωωωψ ωθωθ??ωθωθ θωθ?ωωθ?=-+??=-+??=-+??=-??=+?=+-?? （1） 式中，x 、y 、z 下标表示空间飞行器的三个主轴方向；I 表示相对于飞行器质心的惯量矩，设飞行器是主轴对称的，则惯量积可以忽略；ω表示飞行器相对于惯性空间的角速度;M 表示控制力矩；,,ψ?θ分别是飞行器的欧拉角。控制了M 的大小，就可以控制飞行器按我们期望的轨迹运动。M 由飞行器上的执行机构产生，常见的有空气舵、推力矢量发动机、反作用飞轮、喷气执行机构或由其它环境力执行机构。 三.飞行器姿态控制方法 3.1空气动力控制 根据运动的相对性原理和气体流动时的基本定律，当飞行器在大气中以一定
四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink. Keywords: Quad-rotor，The dynamic mode, Matlab/simulink
四轴飞行器 作品名称：四轴飞行器 工作原理：四轴飞行器主机采用了意法半导体公司的STM32F103CBT6处理器，该芯片采用ARM32位Cortex-M3内核。具有128K的Flash与20K的SRAM，内部具有锁相环模块，最高频率可达到72MHZ。板载MPU6050，该芯片整合了3轴陀螺仪与3轴加速器的6轴运动处理组件，与处理器采用I2C通信进行数据传送。主机与遥控之间采用的是NRF24L01+模块，该模块工作在2.4～2.5GHz全球免申请ISM工作频段。支持125个通讯频率。使用增强型的Enhanced ShockBurst传输模式，支持6个数据通道（共用FIFO）。通过SPI与MCU连接，速率0～8Mbps。理论传输距离可达到2KM。 飞行器遥控器亦采用STM32F103CBT6处理器，通过摇杆的X,Y轴输出为两个电位器，再通过AD转换读出扭动角度，从而在程序内部定义其所读取角度信息的动作映射。遥控器具有三组微调旋钮，可以调整到其水平位置。遥控器也使用NRF24L01+芯片与飞行器主机进行数据传输。遥控器板载TP4057芯片，可以直接给电池充电。并且使用蜂鸣器，对主机状态（例如：无法连接，低电压，连接断开等）进行报警。 制作材料： 1.STM32F103CBT6：该芯片由意法半导体生产，采用ARM32位Cortex-M3内核。 具有128K的Flash与20K的SRAM，芯片集成丰富的外设，例如：定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，PWM等。内部具有锁相环模块，最高频率可达到72MHZ。 2. MPU6050，全球首例整合性6轴运动处理组件，整合了3轴陀螺仪、3轴加速器， 并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌的加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。 3. NRF24L01+：一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。 内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，
1、互补滤波算法 互补滤波器作为一种频域滤波器，常用于融合来自不同传感器测量得到的数据。一般地，互补滤波器包含至少两种频率特性互补的输入信号。例如，对于陀螺仪和加速度计解算姿态这一双输入系统，两个输入量都能分别对姿态角进行解算，其中加速度计输入量包含高频，应通过低通滤波器来滤除；陀螺仪则包含低频噪声（积分漂移），应采用高频滤波器滤队。两者的频率特性互补，可用互补滤波思想进行姿态解算，最终输出较准确信号。 2、四元数表示姿态角 运用互补滤波与卡尔曼滤波思想进行姿态整合的过程归根结底都是利用加速度计解算出的姿态角去修正陀螺仪积分的漂移误差. 这两种方法在姿态融合过程中姿态角的表示形式都是欧拉角表示.但是用欧拉角进行姿态解算在大角度计算时会出现万向节锁(角度为90度时加速度计进行姿态解算的反三解函数无解),为了避免该问题,可采用四元数来解算姿态. 四元数的优点： ·四元数不会存在欧拉角的万向节死锁的问题 ·四元数由4个数组成2个四元数之间更容易插值 ·对四元数规范化正交化计算更加容易 3、MPU6050 DMP内部四元数解算功能 运动控制传感器MPU6050提供了DMP内部四元数解算功能，可以直接输出四元数数据。它除了提供三轴陀螺仪和三轴加速度计传感器的16位ADC信号采集功能之外，还集成了数字低通滤波器和数字运动处理DMP，可以直接输出经低通滤波处理和四元数姿态解算后的四元数数据。将该四元数转换为欧拉角，可以得到准确的俯仰角和橫滚角。 4、PID 控制
由自动控制原理可知，采用角速度反馈闭环控制可有效增加系统稳定性，因此，在进行状态角控制之前需设计姿态角速度增稳内环控制。同时，系统最终控制量为空间位置，因此需要增加外环位置控制。由此得到四轴飞行器俯仰角方向整体控制结构： 4.1、PID 控制 比例控制指的是使用一个比例系数对输入量与期望量的差进行放大或缩小。不过单纯的比例控制会产生静态误差（误差不会收敛于0），所以这时要加入积分控制，对误差进行积分再乘以积分系数，误差累计越大积分控制的比重越大。其优点是可以消除静态误差；其缺点是不稳定，会使系统产生振荡。微分控制是预测系统的变化趋势。当输入的数据缓慢变化时微分项不起作用，当产生一个阶跃响应瞬间发生变化时，微分项发挥作用，做“超前控制”。 4.2串级PID 当将两个PID串联起来,用第一个PID的输出量作为第二个PID的输入量,第一个PID的期望量为期望达到的角度,第二个PID的期望量为此时该轴的角速度,角度环为1级PID为外环,角速度环为2级PID为内环 串级PID较单级PID的优点是,作为内环的角速度由陀螺仪采集数据输出,采集值一般不存在受外界影响的情况,抗干扰能力强,并且角速度变化灵敏,当受外界干扰时,回复迅速,这样使四轴在飞行时抗干扰能力强,飞行更稳定. 4.3PID调试过程详解--P64
姿态解算 姿态解算(attitude algorithm),是指把陀螺仪，加速度计, 罗盘等的数据融合在一起，得出飞行器的空中姿态，飞行器从陀螺仪器的三轴角速度通过四元数法得到俯仰，航偏，滚转角，这是快速解算，结合三轴地磁和三周加速度得到漂移补偿和深度解算。 姿态的数学模型坐标系 姿态解算需要解决的是四轴飞行器和地球的相对姿态问题。地理坐标系是固定不变的，正北，正东，正上构成了坐标系的X，Y，Z轴用坐标系R表示，飞行器上固定一个坐标系用r表示，那么我们就可以适用欧拉角，四元数等来描述r和R的角位置关系。 姿态的数学表示 姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角,姿态解算的核心在于旋转。姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。姿态控制
算法的输入参数必须要是欧拉角。AD值是指MPU6050的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值，每个值为16位精度。AD值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。在四轴上控制流程如下图： 下面是用四元数表示飞行姿态的数学公式，从MPU6050中采集的数据经过下面的公式计算就可以转换成欧拉角，传给姿态PID控制器中进行姿态控制.
PID控制算法 先简单说明下四轴飞行器是如何飞行的,四轴飞行器的螺旋桨与空气发生相对运动，产生了向上的升力，当升力大于四轴的重力时四轴就可以起飞了。四轴飞行器飞行过程中如何保持水平：我们先假设一种理想状况：四个电机的转速是完全相同的是不是我们控制四轴飞行器的四个电机保持同样的转速，当转速超过一个临界点时（升力刚好抵消重力）四轴就可以平稳的飞起来了呢？答案是否定的，由于四个电机转向相同，四轴会发生旋转。我们控制四轴电机1和电机3同向，电机2电机4反向，刚好抵消反扭矩，巧妙的实现了平衡, 但是实际上由于电机和螺旋
目录 1飞行器控制系统的设计过程 (1) 1.1飞行器控制系统的性能指标 (1) 1.2参数分析 (1) 2系统校正前的稳定情况 (3) 2.1校正前系统的伯特图 (3) 2.2校正前系统的奈奎斯特曲线 (3) 2.3校正前系统的单位阶跃响应曲线 (5) 2.4校正前系统的相关参数 (5) 2.4.1 上升时间 (6) 2.4.2超调时间 (7) 2.4.3超调量 (7) 2.4.4 调节时间 (7) 3校正系统 (8) 3.1校正系统的选择及其分析 (8) 3.2验证已校正系统的性能指标 (10) 4系统校正前后的性能比较 (13) 4.1校正前后的波特图 (13) 4.2校正前后的奈奎斯特曲线 (14) 4.3校正前后的单位阶跃响应曲线 (15) 5设计总结与心得 (17) 参考文献 (18)
飞行器控制系统设计 1飞行器控制系统的设计过程 1.1飞行器控制系统的性能指标 飞行器控制系统的开环传递函数 ) 2.361(4500)(+= s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 01.0≤，单位斜坡输入的稳态误差000521.0≤，相角裕度大于85度。 1.2参数分析 由系统开环传递函数可以求得： 令 2n ω= 4500k 所以开环传递函数: 2 ()(361.2) n G s s s ω= + 稳态误差为: ss 2 n n 1361.2e 0.000521lim ()s SG s ζ ωω→= =≤2= 可得832/n rad s ω=，0.217ζ=。 所以，取154k =。 开环传递函数 693000 ()(361.2) G s s s = + 稳态误差 0.005e δ=>
四轴飞行器名词解释 网上找的，自己稍微整理的一下： 1、遥控器篇 什么是通道？ 通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转 所以最低得4通道遥控器。如果想以后玩航拍这些就需要更多通道的遥控器了。 什么是日本手、美国手？ 遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手，所谓遥控器油门，在四轴飞行器当中控制供电电流大小，电流大，电动机转得快，飞得高、力量大。反之同理。判断遥控器的油门很简单，遥控器2个摇杆当中，上下板动后不自动回到中间的那个就是油门摇杆。 2、飞行控制板篇 飞控的用途？ 四轴飞行器相对于常规航模来说，最最复杂的就是电子部分了。之所以能飞行得很稳定，全靠电子控制部分对四轴飞行状态进行快速调整。在常规固定翼飞机上，陀螺仪并非常用器件，在相对操控难度大点的直机上，如果不做自动稳定系统，也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器与其不同的地方是必须配备陀螺仪，这是最基本要求，不然无法飞行，更谈不上飞稳了。不但要有，还得是3轴向(X、Y、Z)都得有，这是四轴飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感器，这6个自由度，就组成了飞行姿态稳定的基本部分，也是关键核心部分---惯性导航模块，简称IMU。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了，可见它是整架模型的核心部件。 什么是x模式和+模式？说白了就是飞行器正对着你本人的时候是呈现X形状还是+形状，之前有介绍过四轴原理的，前进的时候后面加速前面减速两侧不变那个是针对+模式的，而如果是X模式的话，前进就需要后面两个同时加速，前面两个同时减速了。据说X模式的稳定性比+模式的稳定性要高点。 注意：考虑到飞控板上的陀螺仪安装的是固定的，所以，模式不同的话飞控板的安装方向也是不同的。 3、电调篇 为什么需要电调？ 电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。 四轴飞行器四个桨转动时的离心力是分散的。不象直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常用到的舵机控制信号更新频率很低。四轴为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电调，常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就