四轴飞行器的姿态研究与设计

周杰++唐晓平++曹俊合

摘要：本设计是绍兴市大学生科技创新项目。四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。其驱动系统有四个输入却有六个输出，所以它是一个非线性，高度耦合，欠驱动系统。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，设计了一种用加速度传感器矫正陀螺仪零点漂移的方法，并且用PID控制器去控制四个电机的转速来实现稳定飞行。

关键词：四轴飞行器 姿态 STM32 控制

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飞行器的构成

四轴飞行器的设计上可分为硬件部分和软件部分。四轴飞行器的控制系统分别有四个输入和六个输出。四个输入分别是翻滚角，海拔，偏航角和俯仰角；六个输出分别是三个坐标轴的线运动和角运动。四轴飞行器的硬件是比较简单，本文的主要内容是软件的实现。

1.1 硬件构成

四轴飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

1.2 电气构成

电气部分包括：电子调速器、控制电路板、电池，和传感器模块、一些外接的通讯。电气连接如图1所示。

1.3 最小系统设计

核心板用STM32，STM32系列基于专为要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。用它来处理四轴飞行器的复杂运算很适合。电路图设计如图2所示。

2 四轴飞行器坐标描述

在设计四轴飞行器控制系统之前，先要理解四轴飞行器的运动特性和动力学。四轴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。如图3所示。

2.1 姿态的表示和运算

飞行器的姿态是指飞行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）。公式1.1描述了四元数的微分方程，其中分别代表陀螺仪X，Y，Z三轴的角速度。

2.2 互补滤波算法

Mark Euston提出的互补滤波法。开始算出两个叉积：

然后把叉积乘以一个系数，加到陀螺的角增量上，和分别为加速度和磁场的纠正系数，一般取接近0的数：

构造旋转增量：

这个方法比前两个简单，运算量也比前两个少（如图4所示）。

3 结语

四轴飞行器的发展历史快一个世纪了，发展初因为技术的限制，没能很好的推广开来，随着社会的发展和科技的进步，四轴飞行器技术也变得越来越成熟，社会上也越来越关注四轴飞行器，不断的研究出新的成果，本文主要是围绕着四轴飞行器的制作和算法，从理论到实现，在这期间做了一下相应的工作：以STM32 F103处理器为主控芯片，用Altium Designer10设计制作了四轴飞行器的PCB核心板，并购买了相应的电子元件，并进行焊接与调试。软件编写，通过调试，验证算法的可行性，采集信息，准确的估计四轴飞行器的姿态信息，实现对四轴飞行器的闭环控制。

参考文献

[1]宋慧滨，徐申，段德山.一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化[J].现代电子技术，2008.

[2]冬雷.DSP原理及电机控制系统应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]张超，何湘宁.非对称模糊PID控制在光伏MPPT中的应用[J].

[4]胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究：[博士学位论文].南京航空航天大学，2002.endprint

摘要：本设计是绍兴市大学生科技创新项目。四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。其驱动系统有四个输入却有六个输出，所以它是一个非线性，高度耦合，欠驱动系统。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，设计了一种用加速度传感器矫正陀螺仪零点漂移的方法，并且用PID控制器去控制四个电机的转速来实现稳定飞行。

关键词：四轴飞行器 姿态 STM32 控制

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飞行器的构成

四轴飞行器的设计上可分为硬件部分和软件部分。四轴飞行器的控制系统分别有四个输入和六个输出。四个输入分别是翻滚角，海拔，偏航角和俯仰角；六个输出分别是三个坐标轴的线运动和角运动。四轴飞行器的硬件是比较简单，本文的主要内容是软件的实现。

1.1 硬件构成

四轴飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

1.2 电气构成

电气部分包括：电子调速器、控制电路板、电池，和传感器模块、一些外接的通讯。电气连接如图1所示。

1.3 最小系统设计

核心板用STM32，STM32系列基于专为要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。用它来处理四轴飞行器的复杂运算很适合。电路图设计如图2所示。

2 四轴飞行器坐标描述

在设计四轴飞行器控制系统之前，先要理解四轴飞行器的运动特性和动力学。四轴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。如图3所示。

2.1 姿态的表示和运算

飞行器的姿态是指飞行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）。公式1.1描述了四元数的微分方程，其中分别代表陀螺仪X，Y，Z三轴的角速度。

2.2 互补滤波算法

Mark Euston提出的互补滤波法。开始算出两个叉积：

然后把叉积乘以一个系数，加到陀螺的角增量上，和分别为加速度和磁场的纠正系数，一般取接近0的数：

构造旋转增量：

这个方法比前两个简单，运算量也比前两个少（如图4所示）。

3 结语

四轴飞行器的发展历史快一个世纪了，发展初因为技术的限制，没能很好的推广开来，随着社会的发展和科技的进步，四轴飞行器技术也变得越来越成熟，社会上也越来越关注四轴飞行器，不断的研究出新的成果，本文主要是围绕着四轴飞行器的制作和算法，从理论到实现，在这期间做了一下相应的工作：以STM32 F103处理器为主控芯片，用Altium Designer10设计制作了四轴飞行器的PCB核心板，并购买了相应的电子元件，并进行焊接与调试。软件编写，通过调试，验证算法的可行性，采集信息，准确的估计四轴飞行器的姿态信息，实现对四轴飞行器的闭环控制。

参考文献

[1]宋慧滨，徐申，段德山.一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化[J].现代电子技术，2008.

[2]冬雷.DSP原理及电机控制系统应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]张超，何湘宁.非对称模糊PID控制在光伏MPPT中的应用[J].

[4]胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究：[博士学位论文].南京航空航天大学，2002.endprint

摘要：本设计是绍兴市大学生科技创新项目。四轴飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。其驱动系统有四个输入却有六个输出，所以它是一个非线性，高度耦合，欠驱动系统。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，设计了一种用加速度传感器矫正陀螺仪零点漂移的方法，并且用PID控制器去控制四个电机的转速来实现稳定飞行。

关键词：四轴飞行器 姿态 STM32 控制

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飞行器的构成

四轴飞行器的设计上可分为硬件部分和软件部分。四轴飞行器的控制系统分别有四个输入和六个输出。四个输入分别是翻滚角，海拔，偏航角和俯仰角；六个输出分别是三个坐标轴的线运动和角运动。四轴飞行器的硬件是比较简单，本文的主要内容是软件的实现。

1.1 硬件构成

四轴飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

1.2 电气构成

电气部分包括：电子调速器、控制电路板、电池，和传感器模块、一些外接的通讯。电气连接如图1所示。

1.3 最小系统设计

核心板用STM32，STM32系列基于专为要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。用它来处理四轴飞行器的复杂运算很适合。电路图设计如图2所示。

2 四轴飞行器坐标描述

在设计四轴飞行器控制系统之前，先要理解四轴飞行器的运动特性和动力学。四轴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。如图3所示。

2.1 姿态的表示和运算

飞行器的姿态是指飞行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）。公式1.1描述了四元数的微分方程，其中分别代表陀螺仪X，Y，Z三轴的角速度。

2.2 互补滤波算法

Mark Euston提出的互补滤波法。开始算出两个叉积：

然后把叉积乘以一个系数，加到陀螺的角增量上，和分别为加速度和磁场的纠正系数，一般取接近0的数：

构造旋转增量：

这个方法比前两个简单，运算量也比前两个少（如图4所示）。

3 结语

四轴飞行器的发展历史快一个世纪了，发展初因为技术的限制，没能很好的推广开来，随着社会的发展和科技的进步，四轴飞行器技术也变得越来越成熟，社会上也越来越关注四轴飞行器，不断的研究出新的成果，本文主要是围绕着四轴飞行器的制作和算法，从理论到实现，在这期间做了一下相应的工作：以STM32 F103处理器为主控芯片，用Altium Designer10设计制作了四轴飞行器的PCB核心板，并购买了相应的电子元件，并进行焊接与调试。软件编写，通过调试，验证算法的可行性，采集信息，准确的估计四轴飞行器的姿态信息，实现对四轴飞行器的闭环控制。

参考文献

[1]宋慧滨，徐申，段德山.一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化[J].现代电子技术，2008.

[2]冬雷.DSP原理及电机控制系统应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]张超，何湘宁.非对称模糊PID控制在光伏MPPT中的应用[J].

[4]胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究：[博士学位论文].南京航空航天大学，2002.endprint