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四轴飞行器报告(高级篇)
四轴飞行器报告( 高级篇)
姓 名: 阿力木江 艾合买提江 高瞻
完成日期: 2014 年12 月29 日星期一
报告内容
1. 姿态解算用到的常用数学方法和处理手段
2. 自动控制原理PID 和系统建模
姿态解算用到的常用数学方法和处理手段
姿态的数学表示方法
姿态有多种数学表示方式,常见的是四元数,欧拉角,矩阵和轴角。他们各自有其自身的优点,在不同的领域使用不
同的表示方式。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角。
四元数
四元数是由爱尔兰数学家威廉·卢云·哈密顿在1843 年发现的数学概念。从明确地角度而言,四元数是复数的不可交换
延伸。如把四元数的集合考虑成多维实数空间的话,四元数就代表着一个四维空间,相对于复数为二维空间。
四元数大量用于电脑绘图(及相关的图像分析)上表示三维物件的旋转及方位。四元数亦见于控制论、信号处理、姿
态控制、物理和轨道力学,都是用来表示旋转和方位。
相对于另几种旋转表示法(矩阵,欧拉角,轴角),四元数具有某些方面的优势,如速度更快、提供平滑插值、有效
避免万向锁问题、存储空间较小等等。
以上部分摘自维基百科-四元数。
欧拉角
莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于在三维空间里的一个参考系,任何坐标系的取
向,都可以用三个欧拉角来表现。参考系又称为实验室参考系,是静止不动的。而坐标系则固定于刚体,随着刚体的
旋转而旋转。
以上部分摘自维基百科-欧拉角。下面我们通过图例来看看欧拉角是如何产生的,并且分别对应哪个角度。
姿态解算为什么要用四元数和欧拉角
姿态解算的核心在于旋转,一般旋转有4 种表示方式:矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适
合变换向量,欧拉角最直观,轴角表示则适合几何推导,而在组合旋转方面,四元数表示最佳。因为姿态解算需要频
繁组合旋转和用旋转变换向量,所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。
总结来说,在飞行器中,姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态,包括旋转和方位。在获得四元数之后,会将其
转化为欧拉角,然后输入到姿态控制算法中。
姿态控制算法的输入参数必须要是欧拉角。AD 值是指MPU6050 的陀螺仪和加速度值,3 个维度的陀螺仪值和3 个维
度的加速度值,每个值为16 位精度。AD 值必须先转化为四元数,然后通过四元数转化为欧拉角。这个四元数可能是
软解,主控芯片(STM32 )读取到AD 值,用软件从AD 值算得,也可能是通过MPU6050 中的DMP 硬解,主控芯片
(STM32 )直接读取到四元数。具体参考《MPU60x0 的四元数生成方式介绍》。
下面就是四元数软解过程,可以由下面这个框图表示:
扩展阅读-四元数的运算
下面介绍一下四元数,然后给出几种旋转表示的转换。这些运算在飞行器的代码中都会遇到。
四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合,也可以理解为四维的向量。这里用一个圈表示q 是一个四元数(很可
能不是规范的表示方式)。
四元数的长度(模)与普通向量相似。
下面是对四元数的单位化,单位化的四元数可以表示一个旋转。
四元数相乘,旋转的组合就靠它了。
旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。这里创造一个运算q(w,θ),用于把绕单位向量w 转θ角的旋转表示为四元数。
通过q(w,θ),引伸出一个更方便的运算q(f,t)。有时需要把向量f 的方向转到向量t 的方向,这个运算就是生成表示对应
旋转的四元数的(后面会用到)。
然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。再次创造运算,用R(q)表示四元数q 对应的矩阵(后面用到)。
多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。
“四元数表示”转“欧拉角表示”。用于显示。
软件姿态解算
使用MPU6050 硬件DMP 解算姿态是非常简单的,下面介绍由三轴陀螺仪和加速度计的值来使用四元数软件解算姿态
的方法。
我们先来看看如何用欧拉角描述一次平面旋转(坐标变换):
设坐标系绕旋转α 角后得到坐标系,在空间中有一个矢量在坐标系中的投影为,在内的投影为由于旋转绕进行,所以Z 坐
标未变,即有。
转换成矩阵形式表示为:
整理一下:
所以从旋转到可以写成
上面仅仅是绕一根轴的旋转,如果三维空间中的欧拉角旋转要转三次:
上面得到了一个表示旋转的方向余弦矩阵。
不过要想用欧拉角解算姿态,其实我们套用欧拉角微分方程就行了:
上式中左侧,,是本次更新后的欧拉角,对应row,pit,yaw。右侧,是上个周期测算出来的角度,,
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