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四轴飞行器
作品说明书
摘要
四轴飞行器在各个领威应用广泛。相比其他类型的飞行器，四轴飞行器 硬件结构简单紧凑，而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软 件算法，包括加速度计校正 姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采 用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一 种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。
关键词：四轴飞行器；姿态；控制
目录
引言 1
飞行器的构成 1
硬件构成 1
机械构成 1
3
22软件构成 3
上位机 3
下位机 4
飞行原理 4
坐标系统 4
姿态的表示 5
动力学原理 5
姿态测量 6
传感器校正 6
加速度计和电子罗盘 6
姿态控制 6
欧拉角控制 6
四元数控制 7
姿态计算 7
总结 8
参考文献 9
引言
四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS 传感 器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐 力量。到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、 灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。
目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。与 固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降 落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四 轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低。
本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方 案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比 较。
飞行器的构成
四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型 的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件 上，所以本文的主要内容是软件的实现。
硬件构成
飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。
机械构成
机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤 维材料的机架。电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而 螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反 桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的正方形，正桨反桨 交错安装。
CD设计机架如图：
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整体如图2-1:
电气构成
电气部分包括：控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接 的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心，上面包含 MCU陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、 处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调，用于控 制无刷直流电机。
电气连接如图2-2所示
电牠
图2-2醇飞行器电健楼图
22软件构成

上位机是针对飞行器的需要，在Qt SDK上写的一个桌面程序，可通 过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、 设置参数等功能，主界面如图2-3）。
■四轴上位机^R0(js200300953) 2013-04-26 20:33 匚|叵|区|
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222 .下位机
下位机为飞行器上MC里的程序，主要有三个任务：计算姿态、接受命 令和输出控制。下位机直接控制电机功率，飞行器的安全性、稳定性、可操 纵性都取决于它。下位机的三个任务实时性都要求很高，所以计算姿态的频 率设为200Hz输出控制的频率为100Hz而接收到命令后，立即处理。因 为电子调速器接受的!号为PWM信号，高电平时间在1ms~2m之间，所以 控制信号输出频率也不能太高。
飞行原理

飞行器涉及两个空间直角坐标系统：地理坐标系和机体坐标 系。地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上 的坐标系。四轴飞行器运动范围小，可以不考虑地面曲率，且假设地面为惯 性系。地理坐标系采用“东北天坐标系”，X轴指向东，为方便罗盘的使 用，丫轴指向地磁北，Z轴指向天顶。机体坐标系原点在飞行器中心，y平 面为电机所在平面，电机分布在|x|=|y|,z=0｝的直线上，第一象限的电机 带正桨，z轴指向飞行器上方。如