四旋翼飛行器姿態(tài)角估計與控制.pdf

1、四旋翼飛行器因機械設(shè)計簡單、體積小、飛行速度快、機動性強、控制靈活等特點被廣泛應(yīng)用于軍事、民用以及科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域。同時，它也是一個飛行狀態(tài)復(fù)雜的非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)，在高動態(tài)飛行狀態(tài)下，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對其姿態(tài)進行準(zhǔn)確描述。
　　本文通過對四旋翼飛行器姿態(tài)傳感器（加速度傳感器、磁力計、陀螺儀）工作原理及特性分析，給出了基于多傳感器數(shù)據(jù)組合測量飛行器姿態(tài)角的方法。重點研究了基于不同數(shù)據(jù)融合算法的姿態(tài)角數(shù)據(jù)融合問題，并利用融合后

2、的角度實現(xiàn)對四旋翼飛行器小角度擾動的穩(wěn)定控制。利用加速度傳感器和磁力計建立組合測量飛行器姿態(tài)角的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)系變換建立陀螺儀測量姿態(tài)角數(shù)學(xué)模型。分析磁力計解算偏航角過程中產(chǎn)生較大影響的羅差，并通過最小二乘法進行羅差補償，得到比較準(zhǔn)確的偏航角估計值。對姿態(tài)角解算結(jié)果利用最小方差估計權(quán)值，建立了基于加權(quán)法解算飛行器姿態(tài)的數(shù)據(jù)融合模型；通過分析姿態(tài)角解算數(shù)學(xué)模型，分別建立標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波和擴展卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和測量方程，利用加速度計和

3、磁力計數(shù)據(jù)，實時反饋修正陀螺儀的積分誤差。針對本文中提出的三種數(shù)據(jù)融合算法，分別利用MATLAB進行仿真?；诩訖?quán)融合方法解算姿態(tài)角在一定程度上能夠提高姿態(tài)角解算精度，且建模簡單，計算量小；標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波對于姿態(tài)角解算精度優(yōu)于加權(quán)融合，但航向角的計算依賴于俯仰角和橫滾角，俯仰角和橫滾角的估計要在偏航角之前，實時性較差；擴展卡爾曼濾波建模和計算比較繁瑣，但濾波結(jié)果最優(yōu)。最后將融合估算角度和目標(biāo)角度差值作為輸入量，利用增量式PID控制算法得