【正文】 (k1|k1)對應(yīng)的協(xié)方差，表示了對預(yù)測值的信任度；Q(k)表示k時(shí)刻系統(tǒng)過程的協(xié)方差，即對上一次測量估計(jì)值的信任程度，Q矩陣值越大表示信任度越低，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。均值濾波因其具備低通濾波的特性并且計(jì)算簡單，因此選用均值濾波來處理加速度信號?？紤]到高動態(tài)下陀螺儀測得的數(shù)據(jù)解算出的姿態(tài)角比較準(zhǔn)確因此在高動態(tài)條件下選用陀螺儀信號，低動態(tài)下加速度信號解算出的姿態(tài)角更穩(wěn)定因此在低動態(tài)條件下選擇加速度信號。因?yàn)樾枰诤霞铀俣葌鞲衅鳙@得的姿態(tài)角信號，所以選擇均值濾波來去除噪聲。濾波器可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，具有較大的靈活性[[] ]。然后對濾波信號進(jìn)行姿態(tài)解算。 圖 四旋翼飛行器機(jī)架 圖 1047正反槳 遙控控制模塊 該遙控器控制模塊是由一個(gè)7通道的遙控器和配套的接收機(jī)組成的，接收機(jī)上的油門、副翼、升降舵、方向舵通道分別與控制器上的接口相連。螺旋槳分為正反槳，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配正槳，逆時(shí)針轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配反槳。右邊三根線和電機(jī)的三根線相連，如果轉(zhuǎn)向反了，只需將其中任意兩根線互換就可以。根據(jù)參數(shù)設(shè)置最后選擇采用朗宇A(yù)221KV1400無刷電機(jī)。無刷電機(jī)根據(jù)廠商的不同，種類也是非常的多，市面上的主要有朗宇、新西達(dá)、銀燕等品牌。圖 NRF24L01電路圖 電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊我們常用的直流電機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可以劃分為無刷電機(jī)和有刷電機(jī)。圖 電源系統(tǒng)電路圖 其它硬件模塊 無線通信模塊該模塊為上位機(jī)和控制器建立了聯(lián)系。 5. 內(nèi)置有自測試電路，量產(chǎn)測試非常方便，不需要增加額外的高昂測試設(shè)備[[] [D].]。圖 MPU6050電路圖HMC5883傳感器是三軸數(shù)字羅盤，它可以用來測量四軸飛行器所處位置的三軸磁場信息，該傳感器內(nèi)置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路，直接輸出數(shù)字信號，用來測量航向角并進(jìn)行姿態(tài)解算。5%[[] [D].]；陀螺儀工作電流5mA，待機(jī)電流為5uA；加速度計(jì)工作電流為500uA，在10Hz低功耗模式下僅需40uA的電流[[] [D].]。16g。/s）測量范圍[[] [D].]；三軸加速度量程控制范圍有177。250、177。數(shù)字電子羅盤的優(yōu)勢在于它克服了只能夠在水平面使用的缺點(diǎn)，這種數(shù)字電子羅盤內(nèi)部有傾斜補(bǔ)償裝置，這個(gè)裝置一般是由加速度傳感器來完成，如果在完全動態(tài)的情況下，也需要陀螺儀檢測姿態(tài)角，通過這個(gè)角度和磁場方向信息可以補(bǔ)償?shù)玫綔?zhǔn)確的角度信息，而姿態(tài)測量系統(tǒng)中的電子羅盤實(shí)際上就是三軸數(shù)字電子羅盤。當(dāng)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)我們就可以理解加速度傳感器輸出的信號是當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下加速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系下投影。這種用來保持方向而制造出來的裝置就叫陀螺儀[[] 王曙霞,梁洪潔,王小營,[J].]。遙控器控制模塊，控制器對遙控器數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲處理該部分我們通過對STM32定時(shí)器進(jìn)行輸入捕獲配置，捕獲接收機(jī)發(fā)出的PWM信號，把該信號轉(zhuǎn)化成控制量在經(jīng)過PID控制把輸出量給四個(gè)電機(jī)，進(jìn)而控制飛行器的動作。但是這些初始的傳感器數(shù)據(jù)并不能直接應(yīng)用于姿態(tài)解算，需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并且需要對陀螺儀漂移問題進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償，這樣做能夠有效提高飛行器姿態(tài)測量精度，確?？刂葡到y(tǒng)的姿態(tài)角的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 圖 X型四旋翼飛行器模型 圖 十字型四旋翼飛行器模型 四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四旋翼無人機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)。其實(shí)這兩種模式差別不大，到X模式使用廣泛，因此我們采用X字模式。 第四章說明了姿態(tài)參考系統(tǒng)的核心算法捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的研究和實(shí)現(xiàn)過程。第二章主要介紹了四旋翼飛行器的飛行原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架?，F(xiàn)如今無線傳輸可以應(yīng)用的范圍越來越廣泛，藍(lán)牙、WIFI等無線傳輸方式越來越被普遍應(yīng)用到飛行器上，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)的遙控控制。鋰電池和燃料電池的出現(xiàn)和應(yīng)用大大增加了飛行器的續(xù)航能力。目前主要的研究算法有剛體旋轉(zhuǎn)理論、非線性濾波法、四元數(shù)、捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、PID控制算法、模糊自適應(yīng)控制等。圖 麻省理工學(xué)院四旋翼飛行器 圖 大疆四旋翼飛行器目前對四旋翼飛行器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。美國賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了一種能夠編隊(duì)飛行的四旋翼無人機(jī)飛行器，在這些飛行器上都安裝有光源，通過安裝在室內(nèi)墻壁上的攝像頭設(shè)備進(jìn)行拍攝，從而確定飛行器的空間位置并且對其進(jìn)行編隊(duì)飛行控制操作。德國在四旋翼飛行器研究方面也具有較高的水平，德國的MicroDrones公司推出的一款四旋翼飛行器MD4200[[] [D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009]。國外還在四旋翼飛行器的自主飛行以及多機(jī)協(xié)同運(yùn)作等方面有很多研究。四旋翼飛行器的飛行原理雖然簡單，但是涉及到的知識面非常的廣[[] [D].南京信息工程大學(xué),2012]，從機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳感器濾波算法、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)都需要理論的支持。四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)與制作四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 研究背景及意義 1 國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 1 1 3 本文研究內(nèi)容和方法 42 四旋翼飛行器工作原理 5 四旋翼飛行器的飛行原理 5 四旋翼飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 53 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 微慣性組合系統(tǒng)傳感器組成 7 MEMS陀螺儀傳感器 7 MEMS加速度計(jì)傳感器 7 三軸數(shù)字羅盤傳感器 8 姿態(tài)測量系統(tǒng)傳感器選型 8 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 其它硬件模塊 10 無線通信模塊 10 電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊 11 機(jī)架和螺旋槳的選型 12 遙控控制模塊 134 四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理 14 傳感器信號處理 15 加速度傳感器信號處理 15 陀螺儀信號處理 15 電子羅盤信號處理 16 坐標(biāo)系 16 姿態(tài)角定義 17 四元數(shù)姿態(tài)解算算法 18 校準(zhǔn)載體航向角 265 四旋翼飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 28 姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 PID控制算法設(shè)計(jì) 29結(jié)論 31參 考 文 獻(xiàn) 32緒論 研究背景及意義 隨著MEMS傳感器、無刷電機(jī)、單片機(jī)以及鋰電池技術(shù)的發(fā)展，四旋翼飛行器現(xiàn)在已經(jīng)成為航模界的后起之秀。因此在這些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如軍事偵查、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、災(zāi)害檢測、輸電線巡查、玩具航模、航拍、氣象探測等。 國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀目前國外四旋翼飛行器的研究也是主要集中在飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的新的理論的研究,比如：神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制算法、模糊自適應(yīng)控制算法等。使用MEMS高精度姿態(tài)傳感器，并且配備多種傳感器和攝像頭，[[] [D].哈爾濱工程大學(xué),2013]。 DraganflyerX4四旋翼飛行器 圖 現(xiàn)在許多科研