基于STM32的四旋翼飛行器四元數(shù)擴展卡爾曼姿態(tài)解算的研究.pdf

1、四旋翼飛行器利用四個電機的轉(zhuǎn)動使它可以完成垂直升降、定高、定點懸停，超低空飛行等超難度動作，在起飛和降落時，無需機場跑道，沒有嚴格的場地限制，具有廣闊的商用價值和軍用前景，近年來其已經(jīng)成為一個研究熱點，相關(guān)成果被廣泛地應(yīng)用于氣象監(jiān)測、森林防火、快遞投送等領(lǐng)域。姿態(tài)解算是整個四旋翼飛控系統(tǒng)的核心。但在解算過程中，如何解算出精度高、穩(wěn)定性強的姿態(tài)角，一直以來是人們研究的熱點。由于其模型具有高度非線性，捷聯(lián)慣導測量單元中陀螺儀積分誤差大，加速

2、度在時變環(huán)境中誤差大等問題，解算出來的姿態(tài)角存在誤差。于是要實時獲取四旋翼飛行器精準的姿態(tài)角來進行動態(tài)調(diào)整就顯得尤為重要。
　　姿態(tài)解算在整個四旋翼飛行器系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用，而其模型具有高度非線性、陀螺儀積分誤差大、加速度在時變環(huán)境誤差大等問題。為了獲得更加精準的姿態(tài)角，在四元數(shù)擴展卡爾曼濾波(EKF)的基礎(chǔ)上研究姿態(tài)解算，目的是針對擴展卡爾曼濾波算法中預測誤差 P的發(fā)散和過程噪聲矩陣 Q以及測量噪聲矩陣 R的設(shè)置問題，提出了

3、結(jié)合自適應(yīng)過程噪聲矩陣 Q和測量噪聲矩陣 R的UD分解濾波。
　　本文通過對四軸飛行器的基本組成、飛行原理，結(jié)合地心地球固定坐標系、地理坐標系、載體坐標系之間轉(zhuǎn)化進行簡要描述，使用牛頓第二定理和剛體力學對四軸無人機建模。硬件主要采用 ARM公司生產(chǎn) STM32F407VGT6處理器作為主芯片，傳感器采用MPU6050（三軸加速度、三軸陀螺儀）和AK8975電子羅盤采集姿態(tài)角，制作飛控板。并在此基礎(chǔ)上完成橫滾、俯仰、偏航的飛行試驗。

4、基于上述硬件進行編程，首先通過 IIC通信把 MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器的數(shù)據(jù)傳給單片機STM32F407VGT6進行四元數(shù)姿態(tài)解算，單片機捕獲遙控器的 PWM波，利用 PID控制姿態(tài)角，輸出新的PWM脈寬去控制電機的轉(zhuǎn)動，使四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。
　　最后利用 Matlab和上位機對互補濾波算法的橫滾角及加入 UD分解后的 EKF算法橫滾角進行仿真比較，進一步對常規(guī)的 EKF和自適應(yīng) EKF進行比較。經(jīng)過仿真與實際測試，該算法