四軸飛行器姿態(tài)控制算法注釋

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1、從開始做四軸到現(xiàn)在，已經(jīng)累計使用了三個月的時間，從開始的嘗試用四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)檢測，到接著使用的卡爾曼濾波算法，我們走過了很多彎路，我在從上周開始了對德國人四軸代碼的研究和移植，發(fā)現(xiàn)德國人的代碼的確有他的獨到之處，改變了很多我對模型的想法，因為本人是第一次嘗試著制作模型，因此感覺很多想法還是比較簡單。經(jīng)過了一周的時間，我將德國人的代碼翻譯并移植到了我目前的四軸上，并進(jìn)行了調(diào)試，今天，專門請到了一個飛直升機的教練，對我們的四軸進(jìn)行試飛，并與一個華科爾的四軸進(jìn)行了現(xiàn)場比較，現(xiàn)在我們四軸的穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了商品四軸的程度。下面是我這一周時間內(nèi)對德國人代碼的一些理解：德

2、國人代碼中的姿態(tài)檢測算法：首先，將陀螺儀和加速度及的測量值減常值誤差，得到角速度和加速度，并對角速度進(jìn)行積分，然后對陀螺儀積分和加速度計的數(shù)值進(jìn)行融合。融合分為兩部分，實時融合和長期融合,實時融合每一次算法周期都要執(zhí)行，而長期融合沒256個檢測周期執(zhí)行一次，(注意檢測周期小于控制周期的2ms)實時融合：1.將陀螺儀積分和加表濾波后的值做差;2.按照情況對差值進(jìn)行衰減，并作限幅處理;3.將衰減值加入到角度中。長期融合：長期融合主要包括兩個部分，一是對角速度的漂移進(jìn)行估計(估計值是要在每一個控制周期都耦合到角度中的)，二是對陀螺儀的常值誤差(也就是陀螺儀中立點)進(jìn)

3、行實時的修正。1.將陀螺儀積分的積分和加速度積分做差(PS：為什么這里要使用加表積分和陀螺儀積分的積分，因為在256個檢測周期內(nèi)，有一些加速度計的值含有有害的加速度分量，如果只使用一個時刻的加表值對陀螺儀漂移進(jìn)行估計，顯然估計值不會準(zhǔn)確，使用多個周期的值進(jìn)行疊加后做座平均處理，可以減小隨機的有害加速度對估計陀螺儀漂移過程中所鎖產(chǎn)生的影響)2.將上面兩個值進(jìn)行衰減，得到估計的陀螺儀漂移3.對使考慮了陀螺儀漂移和不考慮陀螺儀漂移得到的角度做差，如果這兩個值較大，說明陀螺儀在前段時間內(nèi)測到的角速率不夠準(zhǔn)確，需要對差值誤差(也就是陀螺儀中立點)進(jìn)行修正，修正幅度和差值

4、有關(guān)長期融合十分關(guān)鍵，如果不能對陀螺儀漂移做修正，則系統(tǒng)運行一段時間后，速率環(huán)的穩(wěn)定性會降低。下面比較一下德國四軸中姿態(tài)檢測部分和卡爾曼濾波之間的關(guān)系：卡爾曼濾波是一種線性系統(tǒng)的最優(yōu)估計濾波方法。對于本系統(tǒng)而言，使用卡爾曼濾波的作用是通過對系統(tǒng)狀態(tài)量的估計，和通過加速度計測量值對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行驗證，從而得到該系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)量，并實時更新系統(tǒng)的各參數(shù)(矩陣)，而最重要的一點，改濾波器能夠?qū)ν勇輧x的常值漂移進(jìn)行估計，從而保證速率環(huán)的正常運行，并在加速度計敏感到各種有害加速度的時候，使姿態(tài)檢測更加準(zhǔn)確。但是卡爾曼濾波器能否工作在最優(yōu)狀態(tài)很大程度上取決于系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性

5、，模型參數(shù)的標(biāo)定和系統(tǒng)參數(shù)的選取。然而，僅僅通過上位機觀測而得到最優(yōu)工作參數(shù)是不顯示的，因為參數(shù)的修改會導(dǎo)致整個系統(tǒng)中很多地方發(fā)生改變，很難保證幾個值都恰好為最優(yōu)解，這需要扎實的理論知識，大量的測量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的仿真，通過我對卡爾曼濾波器的使用，發(fā)現(xiàn)要想兼顧鎖有的問題，還是有一定難度的。而德國人的姿態(tài)檢測部分是在嘗試使用一種簡單方法去解決復(fù)雜問題，他既沒有使用傳統(tǒng)的四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)檢測，也么有使用卡爾曼濾波。他的計算量不比最簡單的卡爾曼濾程序波程序的計算量小，但與卡爾曼濾波相比，更加直觀，易于理解，參數(shù)調(diào)節(jié)也更加方便。我個人理解，這個方法是在嘗試著對卡爾曼濾波這

6、一復(fù)雜相互耦合的多狀態(tài)變量的線性系統(tǒng)狀態(tài)估計過程進(jìn)行了簡單的解耦，從而將姿態(tài)的最優(yōu)估計和陀螺儀漂移的最優(yōu)估計分隔開，這樣，就可以通過比較直觀的觀測手段對兩個部分的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但是，這種方法的理論性肯定不如使用四元數(shù)法和卡爾曼濾波，在一些特殊的情況下還可能出現(xiàn)問題，但是，由于卡爾曼濾波器設(shè)計的難度，使用這種方法還是比較現(xiàn)實的?？刂扑惴ǎ旱聡说目刂扑惴ǖ暮诵氖菍撬俣茸鯬I計算，P的作用是使四軸能夠產(chǎn)生對于外界干擾的抵抗力矩，I的作用是讓四軸產(chǎn)生一個與角度成正比的抵抗力。如果只有P的作用，將四軸拿在手上就會發(fā)現(xiàn)，四軸能夠抵抗外界的干擾力矩的作用，而且這個抵抗力

7、非?？焖?，只要手妄圖改變四軸的轉(zhuǎn)速，四軸就會產(chǎn)生一個抵抗力矩，但是，如果用手將四軸扳過一個角度，則四軸無法自己回到水平的角度位置，這就需要I的調(diào)節(jié)作用。對角速度做I(積分)預(yù)算實際得到的就是角度，德國人四軸里面用的也是角度值，如果四軸有一個傾斜角度，那么四軸就會自己進(jìn)行調(diào)整，直到四軸的傾角為零，它所產(chǎn)生的抵抗力是與角度成正比的，但是，如果只有I的作用，會使四軸迅速產(chǎn)生振蕩，因此，必須將P和I結(jié)合起來一起使用，這時候基本上就會得到德國四軸的效果了。在對角速度進(jìn)行了PI調(diào)節(jié)之后，德國人將操縱桿的值融合到結(jié)果中去，并對得到的新的值有進(jìn)行了一次PI計算，這個積分參數(shù)很

8、小，使用這個積分的作用因為，四軸在有一