基于STM32的四旋翼飛行器四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼姿態(tài)解算的研究.pdf

1、四旋翼飛行器利用四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使它可以完成垂直升降、定高、定點(diǎn)懸停，超低空飛行等超難度動(dòng)作，在起飛和降落時(shí)，無(wú)需機(jī)場(chǎng)跑道，沒(méi)有嚴(yán)格的場(chǎng)地限制，具有廣闊的商用價(jià)值和軍用前景，近年來(lái)其已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，相關(guān)成果被廣泛地應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、森林防火、快遞投送等領(lǐng)域。姿態(tài)解算是整個(gè)四旋翼飛控系統(tǒng)的核心。但在解算過(guò)程中，如何解算出精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的姿態(tài)角，一直以來(lái)是人們研究的熱點(diǎn)。由于其模型具有高度非線性，捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量單元中陀螺儀積分誤差大，加速

2、度在時(shí)變環(huán)境中誤差大等問(wèn)題，解算出來(lái)的姿態(tài)角存在誤差。于是要實(shí)時(shí)獲取四旋翼飛行器精準(zhǔn)的姿態(tài)角來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整就顯得尤為重要。
　　姿態(tài)解算在整個(gè)四旋翼飛行器系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用，而其模型具有高度非線性、陀螺儀積分誤差大、加速度在時(shí)變環(huán)境誤差大等問(wèn)題。為了獲得更加精準(zhǔn)的姿態(tài)角，在四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)的基礎(chǔ)上研究姿態(tài)解算，目的是針對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法中預(yù)測(cè)誤差 P的發(fā)散和過(guò)程噪聲矩陣 Q以及測(cè)量噪聲矩陣 R的設(shè)置問(wèn)題，提出了

3、結(jié)合自適應(yīng)過(guò)程噪聲矩陣 Q和測(cè)量噪聲矩陣 R的UD分解濾波。
　　本文通過(guò)對(duì)四軸飛行器的基本組成、飛行原理，結(jié)合地心地球固定坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)化進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，使用牛頓第二定理和剛體力學(xué)對(duì)四軸無(wú)人機(jī)建模。硬件主要采用 ARM公司生產(chǎn) STM32F407VGT6處理器作為主芯片，傳感器采用MPU6050（三軸加速度、三軸陀螺儀）和AK8975電子羅盤采集姿態(tài)角，制作飛控板。并在此基礎(chǔ)上完成橫滾、俯仰、偏航的飛行試驗(yàn)。

4、基于上述硬件進(jìn)行編程，首先通過(guò) IIC通信把 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)STM32F407VGT6進(jìn)行四元數(shù)姿態(tài)解算，單片機(jī)捕獲遙控器的 PWM波，利用 PID控制姿態(tài)角，輸出新的PWM脈寬去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。
　　最后利用 Matlab和上位機(jī)對(duì)互補(bǔ)濾波算法的橫滾角及加入 UD分解后的 EKF算法橫滾角進(jìn)行仿真比較，進(jìn)一步對(duì)常規(guī)的 EKF和自適應(yīng) EKF進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)際測(cè)試，該算法