四轴姿态检测和控制理论.pptx

四轴飞行器的姿态测量与控制 1 四轴飞行器的姿态测量与控制 首先简单介绍一下四轴飞行器，飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机架呈十字状，是固定其他部件的平台。 电机采用直流空心杯电机。 四个螺旋桨中有两个正桨，两个反桨。 控制部分主要由STM32处理器和mpu6050数字姿态处理器（集成三轴陀螺仪和三轴加速度计）组成。 2 四轴飞行器的姿态测量与控制 结构框图 3 四轴飞行器的姿态测量与控制 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。地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上的坐标系。地理坐标系采用“东北天坐标系”，X 轴指向东，为方便罗盘的使用，Y 轴指向地磁北，Z 轴指向天顶。机体坐标系原点在飞行器中心，xy 平面为电机所在平面。 4 四轴飞行器的姿态测量与控制 5 四轴飞行器的姿态测量与控制 飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角、俯仰角和滚转角。更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。 旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。 6 四轴飞行器的姿态测量与控制 因为姿态实质是一个旋转变换，根据刚体有限转动的欧拉定理，旋转变换是可以串联的，所以一个姿态可以经过一个旋转变换，变成另一个姿态。类比点和向量的概念，姿态相当于点，旋转相当于向量，点可以通过加向量，变成另一个点。如果用四元数表示旋转，则由四元数的乘法来实现旋转串联。 7 四轴飞行器的姿态测量与控制 8 四轴飞行器的姿态测量与控制 9 四轴飞行器的姿态测量与控制 10 四轴飞行器的姿态测量与控制 动力学原理 螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：推力和转矩。当四轴飞行器悬停时，合外力为0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。当飞行器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。 11 四轴飞行器的姿态测量与控制 假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由外力矩决定，通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。 首先对螺旋桨编号：第一象限的为0 号，然后逆时针依次递增。同步增加0 号和1 号、减小2 号和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供x 轴的力矩；同步增加1 号和2 号、减小0 号和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供y 轴的力矩；同步增加1 号和3 号、减小0 号和2 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供z 轴的力矩。 12 四轴飞行器的姿态测量与控制 13 四轴飞行器的姿态测量与控制 姿态测量 计算姿态主要用到2 个传感器：陀螺仪、加速度计。其中加速度计测量结果受运动加速度影响较大，特别是飞行器的震动；陀螺仪受外部影响较小稳定性较好，但是输出量为角速度，需要积分后才能得到姿态，在积分过程中不可避免的使误差累积。为了得到准确的姿态就要综合考虑两种传感器的利弊，取长补短通过数据融合得到理想的姿态。 14 15 四轴飞行器的姿态测量与控制 16 四轴飞行器的姿态测量与控制 17 四轴飞行器的姿态测量与控制 18 四轴飞行器的姿态测量与控制 19 四轴飞行器的姿态测量与控制 假设姿态差为小量，所以正弦值近似等于角度值，但注意此处四元数内的角度值仅为实际姿态差角度的一半，将这些值带入PID控制其中就得到了姿态变化所对应的各轴转矩。 20 谢谢 21