【正文】 機的旋轉方向要保證相同，相鄰的電機旋轉方向相反[[] 李堯,四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計[D].大連理工大學,2013]。第五章針對軟件實現部分進行了介紹，給出了編程的軟件流程圖和串級PID控制和定高控制方法。第三章詳細介紹了四旋翼無人機控制系統(tǒng)的硬件設計的工作。 本文研究內容和方法本文研究基于MEMS傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)，通過對姿態(tài)測量傳感器數據的分析，設計出了有效去噪的濾波方法；通過大量的查找資料對姿態(tài)解算算法和數據融合算法有了更深的理解，最后應用于設計的飛行控制器上實現了姿態(tài)角的測量。(4)GPS的發(fā)展。(2)適合于四旋翼飛行器的新的傳感器技術的發(fā)展，國內外逐漸出現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和陀螺儀集成在一起。四旋翼飛行器研究的最主要技術難點在于對飛行姿態(tài)的控制。麻省理工學院設計的一款可以在室內進行地圖測繪，定位和壁障的四旋翼無人飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過激光雷達對周圍環(huán)境進行測量，而且能夠自動生成三維地圖數據，并且根據周圍的環(huán)境進行自主壁障和飛行路徑規(guī)劃，可以用于為危險環(huán)境的探測和搜救。該型號飛行器采用全碳纖工藝制作，負載能力強，而且非常省電。下面對一些四旋翼飛行器進行簡單的介紹：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[[] [D].天津大學,2012]。本次設計針對四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)進行更深入的研究，它的研究將推動中國四旋翼飛行器的研究發(fā)展，為四旋翼飛行器在環(huán)境保護、氣象、火災、偵查追蹤等民用和軍用領域實現產業(yè)化作出突出貢獻。與固定翼飛行器相比之下四旋翼飛行器具有結構簡單，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，機動性非常強等特點。在民用可以代替有人機完成一些任務，在軍事上有很強的戰(zhàn)場生存能力。廉價并且高性能的飛行器的研究將會擁有巨大的經濟效益，能夠對我國的科研事業(yè)起到巨大的推動作用。這種四旋翼飛行器主要使用碳纖材料制作，因其載重能力強能攜帶高清攝像機，因此主要用途為航拍。該型號飛行器配備有GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)和攝像設備，能夠很輕松的在室內和室外執(zhí)行航拍任務。圖 德國MD4200四旋翼飛行器 圖 賓夕法尼亞大學四旋翼編隊飛行現今四旋翼飛行器的研究在國內逐漸發(fā)展壯大并且已經形成產業(yè)。因其旋翼多，因此四旋翼飛行器比傳統(tǒng)的直升機控制起來復雜。(3)電機和電池領域的發(fā)展。隨著衛(wèi)星定位技術的發(fā)展壯大，GPS也逐漸應用于旋翼飛行器，人們可以不用害怕飛行器故障之后會不會找不到，因為我們可以用GPS進行衛(wèi)星定位，而且還可以設置航點，實現飛行器的自主飛行。最后通過大量的實驗驗證了它們的準確性，實驗數據和曲線驗證了該姿態(tài)參考系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，具有很好地工作性能。介紹了MEMS傳感器的原理、特性和型號的選擇和硬件電路圖。最后對本次設計進行了總結，提出了不足之處并對今后的研究工作進行了展望。如果電機 3按照逆時針方向旋轉的話，電機2 、4就要按照順時針方向旋轉，這樣做為了克服反扭矩的影響。四旋翼飛行器控制器的核心任務是姿態(tài)的測量，它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實時、精確的飛行狀態(tài)測量數據。，連接電子調速器為控制器提供5V電壓。3 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設計 微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成 MEMS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，設計原理是角動量守恒。 陀螺儀 圖 MEMS三軸陀螺儀 MEMS加速度計傳感器能將物體加速度的信息轉換為電信號的傳感器稱之為加速度傳感器。 三軸數字羅盤傳感器數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。所以在飛行器經受較大震動的時候，可以用軟件設置適當頻率的低通濾波器，濾掉高頻震動，這種方法很有效的減少了四旋翼機身震動對姿態(tài)測量的影響。1000 與177。4g、177。5%、177。（4）IIC接口傳輸頻率可高達400KHz，內建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍只有1%頻率變化。 ，內置12位 A/D轉換。 電源系統(tǒng)設計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、。 ~ ，而且具備自動重發(fā)功能，有6個數據傳輸通道，最大傳輸速率高達2Mbits[[] 臺述鵬,[J].]。小型的四旋翼飛行器一般選用空心杯電機，屬于有刷電機一類。四旋翼飛行器所用的無刷電機主要有電機尺寸和電機KV值兩個參數。無刷電機的驅動就是俗稱的電子調速器也稱電調。 圖 朗宇無刷電機 圖 電子調速器實物圖 機架和螺旋槳的選型對于機架的選擇，差的機架會使姿態(tài)傳感器讀取到的數據噪聲較大，加大四旋翼飛行器在飛行過程中的不穩(wěn)定性，因此選用結構穩(wěn)定，質量較輕的碳纖機架，這樣很大程度上也提高了飛行器的載重。的螺旋槳，同樣轉速情況下產生的升力就會越大，也就需要更大的電機驅動，這就需要根據電機的大小去選擇槳的型號。圖 4 四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設計 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理姿態(tài)參考系統(tǒng)是利用慣性導航器件來測量載體姿態(tài)角的一種慣性導航系統(tǒng)。姿態(tài)參考系統(tǒng)的原理圖。根據這一特性，加速度傳感器的輸出信號可以通過低通濾波器或者均值濾波器提高信噪比。歐拉角和四元數方法都是針對陀螺儀姿態(tài)測量進行處理的數學方法，可以有效地解算處姿態(tài)角。 常用的數字濾波器有很多種，例如：限值濾波、遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法）、算術平均濾波法、中位值濾波法和中位值平均濾波法等[[] [D].]。對于卡爾曼濾波器，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)測量值的更新方法，從卡爾曼濾波算法的數學公式，我們可以歸納出它的核心思想：首先根據系統(tǒng)上一次得來的最優(yōu)值計算出當前的估計值和協方差，再根據協方差大小計算出卡爾曼增益的大小，最后根據當前估計值和測量值計算出當前最優(yōu)值和協方差。計算卡爾曼增益矩陣：K(k)=P(k|k1) * H(k) / (H(k) * P(k|k1) * H(k) + R(k)) (43) 其中，K(k)表示卡爾曼增益；R(k)表示k時刻觀測過程的covariance，即對測量的信任程度；H(k)表示觀測矩陣。 坐標系坐標系是描述物體在空間的相對位置和運動規(guī)律的，而導航技術就是為了確定載體的空間位置。(2)導航坐標系(n系)一般選取當地地理坐標系作為導航坐標系，坐標Xn軸指向地理東方，Yn軸指向地理北方，Zn軸垂直于當地水平面，沿當地垂線向上[[] [D].],。定義機體繞本體系x軸轉動的角度為俯仰角；機體繞本體系y軸轉動的角度為橫滾角；機體繞本體系z軸轉動的角度為航向角；三個角當轉動方向與旋轉軸符合右手定則為正方向[[] [D].]。四元數與姿態(tài)矩陣之間的關系：設有參考坐標系R，坐標軸X0、 Y0、 Z0，坐標軸方向的單位向量為、 、[[] [D].]。則該位置向量描述了剛體的空間角位置[[] [D]]。在圓上取一點B，是。將(48)代入(47)得： (415)