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四旋翼无人机的导航与控制简介
利用陀螺仪、加速度计、电子罗盘和算法进行数据融合解算出飞机的 姿态。其中陀螺仪、加速度计、电子罗盘组成惯性测量单元(IMU)。 各轴数据总会以较大概率偏向某一方,这样经过积分运算之后就 会不断地对偏差进行累加,至使最终得到的角度会一直向对应方向增 大,这也就是所谓的陀螺仪的漂移现象。 在无外力的加速的情况下,能够准确输出俯仰角和滚转角,并且 此角度不会有累积误差,在长时间内都是准确的。但是当飞行器在三 维空间做变速运动时,加速度传感器同样会检测变速运动的加速度信 号,从而导致姿态角的解算将不再准确。 数据融合算法:EKF、四元数法。
无人机姿态表示方法:
欧拉角法:俯仰角:θ (绕y轴旋转产生)
横滚角:Φ(绕x轴旋转产生) 偏航角:Ψ (绕z轴旋转产生) 在坐标系转换过程中按照 z-y-x 的旋转顺序,得到如下姿态旋转矩阵:
四元数法:与欧拉角相比,采用四元数法姿态表示可大大减少处理器
计算量,提高姿态解算速度。
姿态解算:
飞控:
四轴飞行器最基本同时也是重要的功能是实现飞行姿态的稳定控 制,飞控算法(飞行器姿态控制算法)即根据输入姿态角和遥控命令 解算四个电机 PWM 占空比值,从而使姿态角快速、准确地逼近期望 值。
*
**
位置 速度 * * 控制 v* 控制 x , v y , vz 器 器
总拉力
x*, y*, z*
飞行原理:
涉及到两个坐标系:地理坐标系和机体坐标系;根据集体坐标系可以 将机体分为“十”和“X”结构。 每个点旋翼的产生的升力为: b i为 旋翼分拉力系数,Ωi为电机的转速。 除了升力之外,每个旋桨还会产生对自身的反扭矩。 在飞行过程中为了抵消反扭矩,相 临电机转向相反、相对电机相反。
飞机基本运动:
* , * , **
姿态 F,F ,F ,F 控制 1 2 3 4 器
, ,
机 体 动 力 学 模 型
x, y , z
+
vx,vy,vz
1/Ms 1/s
x, y, z
, ,
, ,d/dt
航姿系统
GPS
无刷电机(4个) 电子调速器(简称电调,4个,常见有好盈、中特威、新西达等品牌) 螺旋桨(4个,需要2个正浆,2个反浆) 飞行控制板(常见有KK、FF、玉兔等品牌) 电池(11.1v航模动力电池) 遥控器(最低四通道遥控器) 机架(非必选)
无人机的结构:
四轴飞行器基本结构主要正交“十”字形机架和位于机架中心的 主控模块以及安装于各机臂端点处的电机和螺旋桨组成。 主控模块:供电电池、主控微型计算机控制系统;陀螺仪、加速 度计、磁力计、气压计、超声波和 GPS 等传感器组成的传感检测系统。