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姿态解算 - 基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制的设计与实现

发布时间:2019-08-11 09:31 来源:未知 编辑:admin

  对姿态角的测量和解算是飞行控制系统中重要的组成部分。姿态解算的速度和准确度直接影响到姿态控制效果。本文采用运算速度快,精度高的四元素互补滤波算法对姿态进行解算,能够达到飞行控制的要求。

  姿态角是通过陀螺仪、加速度计和数字罗盘等传感器测量得到的。MEMS陀螺仪具有温度漂移特性,长期积分运算存在累积误差,短期数据精度高。飞行器在飞行过程中机体振动会对加速度计产生影响,同时数字罗盘是一种磁阻传感器,很容易受到外部磁场的干扰,两者不适合短期测量,但其测量误差为静态误差,不随时间的累加而变化,可用以长时间姿态角采集。

  四元素互补滤波方法将这几种传感器的优势互补。此方法的主要思想是用加速度计和数字罗盘的测量姿态修正陀螺仪的测量姿态。加速度计和数字罗盘测量出来的数据是地球重力与地球磁场在机体空间坐标上的分量,可认为是实际姿态。陀螺仪测量出来的姿态经实际姿态修正后输出给控制器以计算控制量。欧拉角、四元素和方向余弦矩阵间的关系如式(1)所示。

  根据余弦矩阵和欧拉角的定义,地理坐标系的重力向量转到机体坐标系为第三行三个元素,即:

  式(2)中,aX,aY,aZ为加速度计测量出的重力向量在各个轴向上的分量,即实际测出来的重力向量;vX,vY,vZ为陀螺积分后的姿态来推算出的重力向量,它们都是机体坐标系上的重力向量。它们之间的误差,就是陀螺积分后的姿态和加速度计测出来的姿态之间的误差。计算前aX,aY,aZ需规范化处理。

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