四旋翼飞行器悬停算法设计与实现

《四旋翼飞行器悬停算法设计与实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。四旋翼飞行器悬停算法设计与实现　　摘要：以自制四旋翼飞行器为研究对象，对四旋翼飞行器悬停算法进行详细研究。控制中心通过传感器MPU6050获取飞行数据，通过获取的数据计算得到飞行姿态，然后结合气压传感器和摄像头相结合进行悬停算法的设计。程序算法主要包括四元数、PID、卡尔曼滤波和视觉定位等算法，计算得出相应的数据，最后通过控制电子调节系统驱动无刷电机完

2、成其悬停与控制。　　关键词：四旋翼飞行器；悬停技术；四元素算法；卡尔曼滤波算法　　中图分类号：TM277文献标识码：A　　1引言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　四旋翼飞行器是以四个电机作为动力心脏

3、，通过调节电机转速来控制飞行的系统[1-2]。国内外众多学者对四旋翼飞行器硬件设计和软件算法都做了大量的工作，比如文献[3]中提出了PID控制算法和LQR控制算法，实验结果表明其控制性能非常优异。文献[4]设计了基于嵌入式ARM的控制系统，给出了其硬件详细过程，遗憾的作者没有给出其验证其优良性能的实验数据。文献[5]设计了基于DSP的控制系统，给出了其设计过程，但是其控制算法比较复杂，不易实现。因此本文为了实现一种性价比比较高的四旋翼飞行器，以C8051F020单片机为计算控制单元，完成了飞行控制系统的硬件设计，并制作出的四旋

4、翼飞行器实物系统，该飞行器具有重量轻、体积小以及功耗低的优点。为了实现飞行器的悬停控制，将四元素、PID、卡尔曼滤波和视觉定位等算法融合在一起，实现对四旋翼飞行器的悬停控制。经过多次室外试验，该飞行器硬件设计可靠，软件算法能精确地实现飞行器起飞、悬停和降落等飞行模态的控制要求。　　2四旋翼飞行器结构组成及实现为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”

5、项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　四旋翼飞行器系统设计采用模块化的设计思想，主要包括电源模块、飞行器系统模块、电机驱动模块、航姿参考系统模块、辅助定高传感器模块、主控制器模块以及视觉定位系统模块七大模块，其飞行器的系统总体设计框图如图1所示，主要分为硬件部分和软件部分，本文主要对四旋翼飞行器悬停算法进行设计和分析，对硬件设计只做简要介绍。四旋翼飞行器硬件系统包含有遥控器接收头、系统主控电路、电子调速器、气压计MS56

6、11、锂电池电源模块、视觉图像处理电路和OV7670摄像头模块。系统主控制电路上拥有MPU6050传感器，通过采集其数据计算出飞行器航姿。遥控器接收头接收到控制信号，传输给系统主控制电路，控制电子调速器调整目标航姿。气压计MS5611获取到气压数据作为悬停参考。视觉图像处理电路从OV7670摄像头模块中采集图像帧信息，通过分析图像信息得出位图传输给系统主控制电路，进而根据其位图调整姿态，飞行器系统硬件设计框图如图2所示[5-7]。整个硬件设计完成后制作实物如图3所示，四旋翼飞行器系统能够自主飞行关键在于各种算法的成功应用，因此

7、程序设计是关键，接下来将对几种算法做详细介绍。　　3四旋翼飞行器悬停算法设计与实现　　悬停算法设计是基于视觉定位技术与基于气压计的高度定位技术而成的，它是以器件数据为出发点，中间加入各个算法与计算，以关键数据为转折点，最后再从控制器输出控制信号到电调装置，最后控制电机转速，进而控制飞行器的飞行。飞行器系统软件设计时按照数据流的去向进行设计的，大体由飞行器姿态计算、摄像头位图处理、姿态PID控制、高度参考系数计算和高度PID控制组成，悬停算法设计总体框图如图4所示。　　四元素姿态算法设计与实现　　四元素算法介绍为了充分发挥“教学

8、点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校