四轴飞行器姿态计算算法的设计与仿真 [摘要] 为设计一架稳定姿态控制的四轴飞行器，对四轴飞行器的飞行姿态表示、数学模型和姿态计算算法进行了研究。 硬件上，采用STM32作为主控芯片，以加速度计和陀螺仪为主体的惯性测量模块作为姿态测量传感器，测量当前的三轴加速度和三轴角速度。飞行器送入主控芯片进行四元数姿态解算当前姿态角； 软件融合传感器数据，利用工具获取实时姿态，实现姿态的识别和控制。 实验表明，四元数姿态计算算法对飞行器具有良好的控制效果，能够快速、准确地响应飞行状态，满足飞行器执行特殊任务的需要。 【关键词】姿态计算； STM32； 惯性测量模块； 四元数【】为了a，我们在，建模，。在边上，使用STM32作为哪个和IMU（单元）哪个和作为，IMU和。在边上，使用获取实时从. 表明，无人机的性能好，能胜任工作。 【关键词】 ; STM32； 单元; 四轴飞行器具有新颖的结构、独特的飞行方式和垂直升降的特点，近年来在军用和民用两方面都占据了越来越重要的地位。
常见的四轴飞行器为轴对称结构，主要由正交的“十”字型框架、飞控板、传感器组、电机和旋翼组成。 电机和螺旋桨装置是飞行器的动力装置。 产生升力，为飞行器提供动力； 传感器组包括由陀螺仪和加速度计组成的惯性测量模块、磁力计、气压计、GPS模块和超声波模块。 飞控是飞行器运动的核心，飞控板实时采集传感器组的测量数据，用于计算飞行姿态。 1 姿态计算过程 惯性测量模块测量当前飞行器的三轴加速度和三轴角速度数据，转换成四维向量，经过线性变换后输出。 利用四元数与欧拉角的关系，将当前的四元数转换为欧拉角Pitch、Roll、Yaw，计算得到飞行器当前的姿态。 图1为姿态计算流程图。 AD值是指陀螺仪和加速度值，三维陀螺仪值和三维加速度值，每个值都是16位精度。 AD值通过姿态计算算法得到飞行器当前姿态（姿态用四元数表示），然后将四元数转化为欧拉角用于姿态控制算法（PID控制）。 刚体姿态描述了刚体坐标系与刚体参考坐标系之间的角位置关系。 飞行器需要实时获取当前姿态，并根据需要进行控制动作，如保持平衡、实现翻滚等。 飞行器的姿态计算是将刚体坐标系和地理坐标系进行转换。 转换的表示方法有很多种，如矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示等。
矩阵表示适合向量变换，欧拉角表示最直观，轴角表示适合几何求导，四元数表示在组合旋转方面最好。 由于姿态计算需要频繁结合旋转和变换向量与旋转，所以飞机的姿态使用四元数保存。 当需要控制时，将四元数转化为欧拉角，输入到姿态控制算法中。 2 姿态表示方法 2.1 欧拉角表示 欧拉角用于描述刚体在三维欧氏空间中的方位。 对于三维空间中的参考系，任何坐标系的方位都可以用三个欧拉角表示，即滚转角（Roll，?准）、俯仰角（Pitch，θ）、偏航角（Yaw，ψ）。 根据欧拉旋转力，通过三次旋转可以将刚体坐标旋转到与地理坐标系或飞行器平衡姿态的位置重合，三次坐标变换的旋转矩阵的乘积即为欧拉角姿态矩阵。 图2为刚体三个坐标旋转得到的欧拉角。 图中OXYZ为参考坐标系，OX'Y'Z'为刚体坐标系。 3 姿态计算算法 姿态计算的目的是获取飞行器实时、准确的姿态角。 惯性测量模块包括两个测量姿态角的传感器，加速度计和陀螺仪[2]。 加速度计静态性能好，在飞行器静止状态下，能准确测量当前机体相对于地理坐标系的姿态角； 随积分时间无限增加。
飞行器要实现平衡可控飞行，需要从惯性测量模块获得噪声低、误差小、动态性能好的姿态信号。 如前所述，飞行器姿态信号是指其姿态角。 加速度计输出三轴重力分量信号，陀螺仪输出绕三个轴旋转的角速度信号。 飞行器在飞行过程中，电机高速旋转引起的机体振动会给陀螺仪和加速度计的输出信号带来噪声。 实际的频谱分析图（如图3所示）也恰好证实了电机振动带来的噪声。大量噪声的引入会导致控制系统对飞行器的姿态计算产生较大的误差。 为了减小误差对控制系统的影响，需要对加速度计和陀螺仪测量数据进行融合滤波，以获得更有效的飞行器姿态信号，以弥补各自的不足。 为了得到更准确的飞行姿态角，对加速度计采集的数据进行低通滤波去除高频噪声，对陀螺仪采集的数据进行高通滤波去除影响积分漂移。 仪表和陀螺仪的量程和精度如表1所示。采集的加速度计(ax,ay,az)和陀螺仪(gx,gy,yz)需要用四元数求解姿态数据。 利用传感器数据融合的思想，设计实时更新姿态四元数算法。 具体计算方法是初始化四元数向量，从传感器获取加速度和角速度，对加速度值进行归一化处理，利用四元数获取重力分量，利用互补滤波的方法，计算重力分量和加速度计测量误差，用得到的误差校正陀螺仪，用校正后的陀螺仪值(gx,gy,gz)更新四元数，从新的四元数和下一个循环得到的加速度计和陀螺仪的原始数据反复计算，取值循环获取陀螺仪的角，更新四元数，对更新后的四元数归一化，将式(4)转化为欧拉角，得到飞行姿态。
四元数计算方法最终可以得到飞行器运动过程中的横滚角（Roll，?准）、俯仰角（Pitch，θ）、偏航角（Yaw，ψ），准确的姿态解就是飞机的姿态四轴飞行器 准确的可知性提供了必要的条件。 飞控板执行姿态计算程序，将采集到的原始加速度数据、陀螺仪数据等通过串口采集到上位机，并通过波形实时显示数据。 实时姿态显示界面如图4所示，界面左边是串口设置参数和原始数据，界面中间是加速度计和陀螺仪的计算结果，右边是界面是计算出的姿态角和姿态图。 在姿态图中，设置OXYZ为地理坐标系，OABC为体坐标系。 一旦姿态角出现偏差，可以立即反映在姿态图上。 从实时姿态显示数据曲线可以看出，通过一系列的滤波处理，可以对加速度计和陀螺仪的原始数据进行去噪处理，同时得到飞机姿态控制的有效姿态通过四元数姿态计算数据，通过姿态融合的方法，有效消除加速度计高频噪声和陀螺仪积分漂移的影响。 4 结论 本文详细分析了四轴飞行器的飞行运动原理、飞行姿态的欧拉角和四元数姿态表示，建立了相应的数学模型，设计并制作了飞行控制系统的硬件电路，包括电源, 专注于姿态检测等多传感器电路，重点研究分析惯性测量模块中的加速度计和陀螺仪信号噪声，设计姿态计算算法，利用工具辅助设计互补滤波传感器融合飞行姿态实时显示系统。
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