【正文】 機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向要保證相同，相鄰的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反[[] 李堯,四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2013]。第五章針對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行了介紹，給出了編程的軟件流程圖和串級(jí)PID控制和定高控制方法。第三章詳細(xì)介紹了四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的工作。 本文研究?jī)?nèi)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(duì)姿態(tài)測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)出了有效去噪的濾波方法；通過大量的查找資料對(duì)姿態(tài)解算算法和數(shù)據(jù)融合算法有了更深的理解，最后應(yīng)用于設(shè)計(jì)的飛行控制器上實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)角的測(cè)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(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外逐漸出現(xiàn)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(jì)和陀螺儀集成在一起。四旋翼飛行器研究的最主要技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)飛行姿態(tài)的控制。麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的一款可以在室內(nèi)進(jìn)行地圖測(cè)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(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，而且能夠自動(dòng)生成三維地圖數(shù)據(jù)，并且根據(jù)周圍的環(huán)境進(jìn)行自主壁障和飛行路徑規(guī)劃，可以用于為危險(xiǎn)環(huán)境的探測(cè)和搜救。該型號(hào)飛行器采用全碳纖工藝制作，負(fù)載能力強(qiáng)，而且非常省電。下面對(duì)一些四旋翼飛行器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：首先非常具有代表性的是美國(guó)Draganflyer公司研發(fā)出來的Draganflyer系列四旋翼飛行器[[] [D].天津大學(xué),2012]。本次設(shè)計(jì)針對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究，它的研究將推動(dòng)中國(guó)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(hù)、氣象、火災(zāi)、偵查追蹤等民用和軍用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化作出突出貢獻(xiàn)。與固定翼飛行器相比之下四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)動(dòng)性非常強(qiáng)等特點(diǎn)。在民用可以代替有人機(jī)完成一些任務(wù)，在軍事上有很強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。廉價(jià)并且高性能的飛行器的研究將會(huì)擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，能夠?qū)ξ覈?guó)的科研事業(yè)起到巨大的推動(dòng)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(qiáng)能攜帶高清攝像機(jī)，因此主要用途為航拍。該型號(hào)飛行器配備有GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和攝像設(shè)備，能夠很輕松的在室內(nèi)和室外執(zhí)行航拍任務(wù)。圖 德國(guó)MD4200四旋翼飛行器 圖 賓夕法尼亞大學(xué)四旋翼編隊(duì)飛行現(xiàn)今四旋翼飛行器的研究在國(guó)內(nèi)逐漸發(fā)展壯大并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。因其旋翼多，因此四旋翼飛行器比傳統(tǒng)的直升機(jī)控制起來復(fù)雜。(3)電機(jī)和電池領(lǐng)域的發(fā)展。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展壯大，GPS也逐漸應(yīng)用于旋翼飛行器，人們可以不用害怕飛行器故障之后會(huì)不會(huì)找不到，因?yàn)槲覀兛梢杂肎PS進(jìn)行衛(wèi)星定位，而且還可以設(shè)置航點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的自主飛行。最后通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它們的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線驗(yàn)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(hào)的選擇和硬件電路圖。最后對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，提出了不足之處并對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了展望。如果電機(jī) 3按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的話，電機(jī)2 、4就要按照順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，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(wù)是姿態(tài)的測(cè)量，它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、精確的飛行狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)。，連接電子調(diào)速器為控制器提供5V電壓。3 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)原理是角動(dòng)量守恒。 陀螺儀 圖 MEMS三軸陀螺儀 MEMS加速度計(jì)傳感器能將物體加速度的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器稱之為加速度傳感器。 三軸數(shù)字羅盤傳感器數(shù)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(jīng)受較大震動(dòng)的時(shí)候，可以用軟件設(shè)置適當(dāng)頻率的低通濾波器，濾掉高頻震動(dòng)，這種方法很有效的減少了四旋翼機(jī)身震動(dòng)對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響。1000 與177。4g、177。5%、177。（4）IIC接口傳輸頻率可高達(dá)400KHz，內(nèi)建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍只有1%頻率變化。 ，內(nèi)置12位 A/D轉(zhuǎn)換。 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)重發(fā)功能，有6個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，最大傳輸速率高達(dá)2Mbits[[] 臺(tái)述鵬,[J].]。小型的四旋翼飛行器一般選用空心杯電機(jī)，屬于有刷電機(jī)一類。四旋翼飛行器所用的無刷電機(jī)主要有電機(jī)尺寸和電機(jī)KV值兩個(gè)參數(shù)。無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)就是俗稱的電子調(diào)速器也稱電調(diào)。 圖 朗宇無刷電機(jī) 圖 電子調(diào)速器實(shí)物圖 機(jī)架和螺旋槳的選型對(duì)于機(jī)架的選擇，差的機(jī)架會(huì)使姿態(tài)傳感器讀取到的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量較輕的碳纖機(jī)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(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生的升力就會(huì)越大，也就需要更大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這就需要根據(jù)電機(jī)的大小去選擇槳的型號(hào)。圖 4 四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理姿態(tài)參考系統(tǒng)是利用慣性導(dǎo)航器件來測(cè)量載體姿態(tài)角的一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。姿態(tài)參考系統(tǒng)的原理圖。根據(jù)這一特性，加速度傳感器的輸出信號(hào)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(shù)方法都是針對(duì)陀螺儀姿態(tài)測(cè)量進(jìn)行處理的數(shù)學(xué)方法，可以有效地解算處姿態(tài)角。 常用的數(shù)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(dòng)平均濾波法）、算術(shù)平均濾波法、中位值濾波法和中位值平均濾波法等[[] [D].]。對(duì)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(cè)量值的更新方法，從卡爾曼濾波算法的數(shù)學(xué)公式，我們可以歸納出它的核心思想：首先根據(jù)系統(tǒng)上一次得來的最優(yōu)值計(jì)算出當(dāng)前的估計(jì)值和協(xié)方差，再根據(jù)協(xié)方差大小計(jì)算出卡爾曼增益的大小，最后根據(jù)當(dāng)前估計(jì)值和測(cè)量值計(jì)算出當(dāng)前最優(yōu)值和協(xié)方差。計(jì)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(shí)刻觀測(cè)過程的covariance，即對(duì)測(cè)量的信任程度；H(k)表示觀測(cè)矩陣。 坐標(biāo)系坐標(biāo)系是描述物體在空間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，而導(dǎo)航技術(shù)就是為了確定載體的空間位置。(2)導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)一般選取當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，坐標(biāo)Xn軸指向地理東方，Yn軸指向地理北方，Zn軸垂直于當(dāng)?shù)厮矫?，沿?dāng)?shù)卮咕€向上[[] [D].],。定義機(jī)體繞本體系x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為俯仰角；機(jī)體繞本體系y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為橫滾角；機(jī)體繞本體系z(mì)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為航向角；三個(gè)角當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)軸符合右手定則為正方向[[] [D].]。四元數(shù)與姿態(tài)矩陣之間的關(guān)系：設(shè)有參考坐標(biāo)系R，坐標(biāo)軸X0、 Y0、 Z0，坐標(biāo)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(diǎn)B，是。將(48)代入(47)得： (415)