四旋翼飞行器20150719(新)

1、四旋翼飞行器华中科技大学电工电子科技创新中心王贞炎内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算初步认识 四旋翼飞行器初步认识 四个旋翼，对角旋向一致，相邻旋向相反，反扭矩相互抵消 通过控制四个旋翼的转速，实现四个自由度运动 升降、偏航、俯仰、横滚平稳状态自旋（航向）俯仰/横滚升降初步认识 控制系统设计： 系统模型（输入状态输出） 状态的测量（升降速度、横滚角、俯仰角、航

2、向角） 控制器平稳状态自旋（航向）俯仰/横滚升降初步认识初步认识初步认识内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算姿态解算 使用6轴（3轴加速度、3轴角速度）惯性传感器 各轴积分得各个速度和姿态角 惯性传感器安装于飞行器上，其测量值（加速度向量和角速度向量）均为运载坐标系下的表达，而我们需要的是地理坐标系下的表达 加速度向量需经坐标转换至地理坐标系后使用 坐标转换与姿态角相关 运载坐标系下的角速度与姿态角的导数并不相等，其关系可由下列方程（之一）确定 欧拉角运动微分方程、方向余弦矩阵微分方程 四元数微

3、分方程姿态解算姿态解算姿态解算姿态解算姿态解算姿态解算姿态解算内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算物理模型物理模型物理模型物理模型物理模型物理模型物理模型物理模型物理模型 状态空间模型 Simulink模型物理模型 状态空间模型 Simulink模型元素逆序内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算PID控制PID控制PID控制 参数 模型所需的参数符号符号数值数值单位单位意义意义整机质量轴距的一半电机

4、和旋翼的等效质量，用于计算转动惯量旋翼的拉力系数旋翼的反扭矩系数机体的空气阻力系数PID控制PID控制 姿态环 姿态环的Simulink仿真怠速PID控制 姿态环 离散时间PID控制器 系统采样周期0.02s电调的控制周期PID控制PID控制PID控制PID控制 姿态环 仿真激励和仿真结果PID控制 速度环 横滚控制y向（侧向）速度 俯仰控制x向（前向）速度 PID阶跃响应时间设为0.5sPID控制 速度环 激励和仿真PID控制#include pid.h#define USEI#define USEDPid:Pid(float p, float i, float d, float n, fl

5、oat ts) this-p = p; this-i = i; this-d = d; this-n = n; this-ts = ts; this-accI = .0f; this-accD = .0f;float Pid:Tick(float diff) float pout;#ifdef USED float dout;#endif pout = diff * p;#ifdef USEI accI += diff * i * ts;#endif#ifdef USED dout = (diff * d - accD) * n; accD += dout * ts;#endif #ifdef

6、 USEI pout += accI;#endif#ifdef USED pout += dout;#endif return pout;#ifndef _PID_H_#define _PID_H_class Pid private: float p, i, d, n, ts; float accI, accD;public: Pid(float p, float i, float d, float n, float ts); float Tick(float diff);#endif内容 初步认识 姿态解算 矩阵 四元数 物理模型 PID控制 姿态控制环 速度控制环 传感器和计算 惯性传感器、高度传感器 反馈数据计算传感器和计算 惯性传感器 举例 MPU6050 3轴加速度和3轴角速度 自带“DMP”，包含数据滤波，并能自行解算四元数 LSM9DS0 3轴加速度、3轴角速度和3轴地磁 校正 上电启动