基于卡尔曼滤波的四旋翼飞行器悬停控制研究

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------基于卡尔曼滤波的四旋翼飞行器悬停控制研究文章编号：１００１—９９４４（２０１３）１１－０００１—０５吴友强１，纪浩１，邹力涵２（１．武汉大学动力与机械学院，武汉４３００７２；２．西安电子科技大学电子工程学院，西安７１００７１）摘要：针对单一传感器测量四旋翼飞行器姿态角不准确的缺点．通过建立悬停状态下的四旋翼飞

2、行器动力学模型．构建了四旋翼姿态测量硬件系统．利用理论分析和实验的方法对四旋翼飞行器物理参数进行了测量，最后利用卡尔曼滤波算法将加速度计和陀螺仪测量的姿态角进行有效的融合．并设计了ＰＩＤ控制器．建立了四旋翼飞行器悬停状态姿态角的模型。仿真结果显示，设计的基于卡尔曼滤波的ＰＩＤ控制器满足系统要求。关键词：四旋翼飞行器；悬停；卡尔曼滤波；ＰＩ中图分类号：ＴＰｌ３Ｄ文献标志码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＱｕａｄｒｏｔｏｒＨｏｖｅｒｉｎｇＰＩＤＣｏｎｔｒｏｌ——————————————————————————

3、————————————------------------------------------------------------------------------------------------------ＢａｓｅｄｏｎＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇＷＵＹｏｕ－ｑｉａｎ９１，ＪＩＨａ０１，ＺＯＵＬｉ—ｈａｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ：２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒ

4、ｏｎｉｃＥｎ—ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）ｏｎａｓｉｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｉｎａｉｒｃｒａｆｔｉｎｈｏｖｅｒａｔｔｉｔｕｄｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｈｅｉｎａｅｃｕｒａｔｅｆａｕｌｔｓ——————————————————————————————————————-------------------------------------------------------------------

5、-----------------------------ａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒ．ｈａｒｄｗｅｒｅａｎｄｅｘ－ｑｕａｄｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｈｏｖｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｏｆｗｅｒｅｑｕａｄｒｏｔｏｒｔｈｅｍｅｔｈｏｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｈｏｖｅｒｓｔａｔｅ，ｏｎｑｕａｄｒｏｔｏｒ，ｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａ

6、ｎａｌｙｓｉｓａｎｄｇｙｒｏｓｃｏｐｅｍｅａｓｕｒｅｄａｔｔｉｔｕｄｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｕｓｉｏｎｕｓｉｎｇＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａＰＩＤ——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------ｓｈｏｗｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＷａ

7、ｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｂｕｉｌｔｆｏｕｒｒｏｔｏｒｃｒａｆｔｉｎｈｏｖｅｒａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｃａｌｌｍｅｅｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｄｒｏｔｏｒ；ｈｏｖｅｒｉｎｇ；Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ＰＩＤ四旋翼飞行器因其结构简单、相对载荷能力强、垂直起降和机动性能好等优点，被当做了一种流行的无人驾驶飞行平台，并引起了商业和科学研究的极大兴趣ｆ１１。本文

8、以四旋翼飞行器悬停控制为目标，利用欧拉一朗格朗日方程建立了理想悬停状１四旋翼飞行器系统结构四旋翼飞行器以Ⅱ公司的数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为主控制器，负责读取和处理传感器输入的四旋翼飞行器姿态数据，结合控制目标。——————————————————————————————————————---------------------------------------------------------------------------------------------