—四軸飛行器定速巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)(文件)
【正文】 和向量的概念，姿態(tài)相當(dāng)于點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于向量，點(diǎn)可以通過加向量，變成另一個(gè)點(diǎn)。飛行器的姿態(tài)計(jì)算是圍繞姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行的，下面簡要介紹一下四元數(shù)的運(yùn)算。 規(guī)范化的四元數(shù)可以表示旋轉(zhuǎn)，見(32)式,單位向[xw yw zw]T為旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸。四元數(shù)乘法跟矩陣一樣，有結(jié)合律，沒有交換律。當(dāng)飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)橥屏χ荒苎剌S向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動(dòng)力，控制運(yùn)動(dòng)由控制姿態(tài)來間接實(shí)現(xiàn)。以上“增加”和“減小”只是表明變化的方向，可以增加負(fù)數(shù)和減小負(fù)數(shù)，提供的力矩就沿對應(yīng)軸的負(fù)方向了。4. 姿態(tài)測量獲取當(dāng)前姿態(tài)是控制飛行器平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)，姿態(tài)的測量要求低噪聲、高輸出頻率，當(dāng)采用陀螺儀等需要積分的傳感器時(shí)，還需要考慮積分發(fā)散等問題。把傳感器固定好，這時(shí)對輸出值Xf求平均，得到的A即為零偏，實(shí)際使用時(shí)，把測得的值減去零偏，得到的值就是校正值。加速度計(jì)測量的對象是比力，也就是等效重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度的和，當(dāng)靜止時(shí)，運(yùn)動(dòng)加速度為0，加速度計(jì)的測量值為等效重力加速度，可以利用這一點(diǎn)校正加速度計(jì)。 xc = ( xm + ox )*gx yc = ( ym + oy )*gy (43) Zc = ( zm + oz )*gz有了傳感器的數(shù)據(jù)，就可以用來計(jì)算姿態(tài)了。而陀螺儀則受外部影響弱，穩(wěn)定性好，但輸出量為角速度，需要積分才能得到姿態(tài)，無法避免誤差的累積。下面講“姿態(tài)插值法”的計(jì)算過程。接著講第二個(gè)部分。最接近的原則可定為：一、旋轉(zhuǎn)后四個(gè)向量共面；二、加速度和磁場成一定角度，旋轉(zhuǎn)后的角平分線與常量的角平分線重合。這個(gè)方法，陀螺計(jì)算的姿態(tài)占主要，加速度計(jì)和羅盤只是輔助糾正。為了減少運(yùn)算量、利用常量值里的0和1分量，相減之前統(tǒng)一到機(jī)體坐標(biāo)系，而不是地理坐標(biāo)系。統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系后，規(guī)范化的加速度和磁場強(qiáng)度的測量值和常量值可以作一個(gè)叉積，叉積的模為角度誤差的正弦，小角情況下認(rèn)為正比于角度，方向根據(jù)右手法則，可以作為糾正的旋轉(zhuǎn)軸，乘上一個(gè)系數(shù)后，可以與陀螺算出的角增量疊加。為了避免復(fù)雜的精確動(dòng)力學(xué)建模，選用PID控制器。歐拉角有多種定義方式，這里定義x軸正方向?yàn)楹较颍@z軸轉(zhuǎn)的角度為偏航角(yaw)，繞y軸轉(zhuǎn)的角度為俯仰角(pitch)，繞x軸轉(zhuǎn)的角度為滾轉(zhuǎn)角(roll)，旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆YX。思路跟歐拉角控制一樣，先求姿態(tài)差，再把姿態(tài)差輸入到PID控制器，來輸出油門變化量。先比較靜態(tài)的情況。7. 結(jié)論及存在的問題雖然通過使用上面介紹的各種方法，已經(jīng)成功讓飛行器飛起來了，但為了把飛行器應(yīng)用到遙感，至少還需要三個(gè)改進(jìn)：一、改進(jìn)控制算法，使機(jī)體更平穩(wěn)；二、增加衛(wèi)星導(dǎo)航定位，實(shí)現(xiàn)預(yù)定航線飛行；三、要用增穩(wěn)云臺(tái)，遙感傳感器要裝在云臺(tái)上。為了公平比較，先把參數(shù)調(diào)整到臨界值，即剛好能糾正陀螺漂移的值。為了比較幾種姿態(tài)計(jì)算算法的效果，先在下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，然后在電腦上離線處理，這樣可以用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比較。 yaw: ya = arctan( 2wqzq + 2xqyq , 1 2y2q 2z2q ) Pitch: pa = arcsin( 2wqyq 2zqxq ) (51) Roll: ra = arctan2( 2wqxq + yqzq , 1 2x2q 2y2q )用歐拉角來控制姿態(tài)，每次控制都要算3次三角函數(shù)，運(yùn)算量很大。如果當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)相差不大，可以忽略旋轉(zhuǎn)順序的影響。根據(jù)被控姿態(tài)的表示方式，分為歐拉角控制和四元數(shù)控制。( ) 圖42 梯度下降法數(shù)據(jù)流程圖Mark Euston提出了運(yùn)算量比梯度下降法更小的互補(bǔ)濾波法[13]。首先要定義誤差，最直觀就是定義為測量值與常量值之差，這樣加速度和磁場強(qiáng)度就分別有一個(gè)誤差了。Sebastian . Madgwick提出了更加有效的方法——用梯度下降法計(jì)算姿態(tài)[12]。兩對變量為加速度和磁場強(qiáng)度，測量出的加速度和磁場強(qiáng)度是在機(jī)體坐標(biāo)系的，而地理坐標(biāo)系的加速度和磁場
環(huán)評公示相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1