四軸飛行器的姿態研究與設計

周杰++唐曉平++曹俊合

摘要：本設計是紹興市大學生科技創新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領域應用廣泛。其驅動系統有四個輸入卻有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅動系統。本文介紹四軸飛行器的一個實現方案，設計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉速來實現穩定飛行。

關鍵詞：四軸飛行器 姿態 STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構成

四軸飛行器的設計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內容是軟件的實現。

1.1 硬件構成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構成。

1.2 電氣構成

電氣部分包括：電子調速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統設計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。用它來處理四軸飛行器的復雜運算很適合。電路圖設計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標描述

在設計四軸飛行器控制系統之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標系統：地理坐標系和機體坐標系。如圖3所示。

2.1 姿態的表示和運算

飛行器的姿態是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉角（roll）。公式1.1描述了四元數的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數，一般取接近0的數：

構造旋轉增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結語

四軸飛行器的發展歷史快一個世紀了，發展初因為技術的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發展和科技的進步，四軸飛行器技術也變得越來越成熟，社會上也越來越關注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現，在這期間做了一下相應的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應的電子元件，并進行焊接與調試。軟件編寫，通過調試，驗證算法的可行性，采集信息，準確的估計四軸飛行器的姿態信息，實現對四軸飛行器的閉環控制。

參考文獻

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化[J].現代電子技術，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學問題研究：[博士學位論文].南京航空航天大學，2002.endprint

摘要：本設計是紹興市大學生科技創新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領域應用廣泛。其驅動系統有四個輸入卻有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅動系統。本文介紹四軸飛行器的一個實現方案，設計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉速來實現穩定飛行。

關鍵詞：四軸飛行器 姿態 STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構成

四軸飛行器的設計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內容是軟件的實現。

1.1 硬件構成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構成。

1.2 電氣構成

電氣部分包括：電子調速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統設計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。用它來處理四軸飛行器的復雜運算很適合。電路圖設計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標描述

在設計四軸飛行器控制系統之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標系統：地理坐標系和機體坐標系。如圖3所示。

2.1 姿態的表示和運算

飛行器的姿態是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉角（roll）。公式1.1描述了四元數的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數，一般取接近0的數：

構造旋轉增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結語

四軸飛行器的發展歷史快一個世紀了，發展初因為技術的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發展和科技的進步，四軸飛行器技術也變得越來越成熟，社會上也越來越關注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現，在這期間做了一下相應的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應的電子元件，并進行焊接與調試。軟件編寫，通過調試，驗證算法的可行性，采集信息，準確的估計四軸飛行器的姿態信息，實現對四軸飛行器的閉環控制。

參考文獻

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化[J].現代電子技術，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學問題研究：[博士學位論文].南京航空航天大學，2002.endprint

摘要：本設計是紹興市大學生科技創新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領域應用廣泛。其驅動系統有四個輸入卻有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅動系統。本文介紹四軸飛行器的一個實現方案，設計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉速來實現穩定飛行。

關鍵詞：四軸飛行器 姿態 STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構成

四軸飛行器的設計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內容是軟件的實現。

1.1 硬件構成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構成。

1.2 電氣構成

電氣部分包括：電子調速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統設計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。用它來處理四軸飛行器的復雜運算很適合。電路圖設計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標描述

在設計四軸飛行器控制系統之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標系統：地理坐標系和機體坐標系。如圖3所示。

2.1 姿態的表示和運算

飛行器的姿態是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉角（roll）。公式1.1描述了四元數的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數，一般取接近0的數：

構造旋轉增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結語

四軸飛行器的發展歷史快一個世紀了，發展初因為技術的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發展和科技的進步，四軸飛行器技術也變得越來越成熟，社會上也越來越關注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現，在這期間做了一下相應的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應的電子元件，并進行焊接與調試。軟件編寫，通過調試，驗證算法的可行性，采集信息，準確的估計四軸飛行器的姿態信息，實現對四軸飛行器的閉環控制。

參考文獻

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化[J].現代電子技術，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學問題研究：[博士學位論文].南京航空航天大學，2002.endprint