文档介绍：四轴飞行器
作品说明书
摘要
四轴飞行器在给领域应用广泛。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 用最系窿示：坐标系方官宣合时）
姿态的表示
飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示， 包括偏航角卜2W、俯仰角8注品和滚转角（roll）。更深一层，姿态其实 是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态 为机体坐标系向地理坐标系的转换。旋转变换有多种表示方式，包括变换矩 阵、姿态角、转轴转角、四元数等。
动力学原理
螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向 分解，得到两种力学效应：推力和转矩。当四轴飞行器悬停时，合外力 为0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。当飞行 器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力， 控制运动由控制姿态来间接实现。
假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由 外力矩决定，通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。首先对螺旋桨 编号：第一象限的为号，然后逆时针依次递增，如3-1）。同步增加0 号和1号、减小2号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供 x轴的力矩；同步增加号和2号、减小0号和3号桨的功率，可以在不
改变推力的情况下，提供轴的力矩；同步增加号和3号、减小0号 和2号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，2提供勺力矩。以上“ 增加”和“减小”只是表明变化的方向，可以增加负数和减小负数，提供 的力矩就沿对应轴的负方向了。
.姿态测量
获取当前姿态是控制飞行器平稳飞行的基础，姿态的测量要求 低噪声、高输出频率，当采用陀螺仪等需要积分的传感器时，还需要考 虑积分发散事题。近年制EMS传感器越来越成熟、阖广泛，成为低成本 姿态测量的首选器件，因此该项目使用的传感器全部邮是传感器。在 使用传感器的值进行姿态计算之前，有必要校正传感器
传感器校正
由于实验条件限制，传感器的校正只有两项，分别对应两种类型的传感 器：陀螺仪——静止时0输出的传感器、加速度计与罗盘——测量某向量 场强度的传感器。
加速度计和电子罗盘
加速度计和罗盘都是测量所在点的某个向量场的值的传感器， 静态时加速度计测的是等效重力加速度场，电子罗盘测的是地磁场。下 面仅介绍加速度计的校正，罗盘的校正同理。加速度计测量的对象是比 力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加 速度为0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速 度计。加速度计的校正的思路为：对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重 力加速度。因此校正的任务为：寻找最佳的平移和缩放参数，使总体测量数 据的更靠近重力加速度。
.姿态控制
姿态计算出来后，就可以输出控制了。根据被控姿态的表示方 式，分为欧拉角控制和四元数控制。控制的思路为：设定一个目标姿态， 调整螺旋桨，使测量出的姿态变为目标姿态。为了避免复杂的精确动力学建 模，选用「2控制器。
欧拉角控制
由于欧拉角对应个轴的旋转，当前姿态和目标姿态的差值可以作为控 制输入量，角度的误差直接可以对应力矩的输出。如果当前姿态和目标姿态 相差不大，可以忽略旋转顺序的影响。
四元数控制
用欧拉角来控制姿态，每次控制都要欺三角函数，运算量大。为 了避免三角函数，可以直接用姿态四元数来控制。思路跟欧拉角控制一样， 先求姿态差，再把姿态差输入围D控制器，来输出油门变化量。
.姿态计算
为了比较几种姿态计算算法的效果，先在下位机采集数据，然 后在电脑上离线处理，这样可以用相同的数据进行计算和比较。数据分 两组，分别对应静态和动态的情况，测量时电机都是开的，因此把电机振动 也考虑进来了。先比较静态的情况。因为几种姿态融合方法的思路都 是：陀螺为主、加速度计和罗盘用于纠正陀螺误差，因此动态性能取决 于陀螺，静态性能取决于加速度计和罗盘，所以静态的情况最能反映姿态融 合算法的优劣。邺-3为三种方法算出的滚转角，取了其中连续的00个 样点，即连续5秒时间的数据。为了公平比较，先把参数调整到临界值， 即刚好能纠正陀螺漂移的值。图可以看出，姿态插值法和互补滤波法效果 差不多，梯度下降法噪声振幅比前两者都大。
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然后比较动态的情况。如图-4 “无陀螺姿态”是指仅用加速度计和罗盘 计算的姿态，相当于姿态插值法第二部分得到的姿态，可以看到算法 光滑