无人直升机姿态控制系统

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1、科技论坛:www.tech-domain.com维普资讯科技论坛http://www.cqvip.com第26卷第1期飞行器测控学报V01．26No．12007年2月JournalofSpacecraftTT&CTechnologyFeb．2Oo7基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统高同跃龚振邦罗均冯伟(上海大学机自学院精密机械系·上海·200072)摘要设计了一种基于加速度计和角速率陀螺的超小型无人直升机姿态控制系统；由卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺数据，实时估计最优的直升机姿态信号；根据最优的姿态反馈信号，飞行控制系统采用

2、参数自整定的模糊PID控制方法得到舵机控制信号，从而实现了超小型无人直升机的姿态控制。关键词超小型无人直升机；卡尔曼滤波；模糊PID；姿态控制中图分类号：TP273．22文献标识码：AAnAttitudeControlSystemforSmallUnmannedHelicoptersbasedonAccelerometerandAngularRateGyroscopeGAOTong·-yueGONGZhen·-bangLUOJunFENGWei(SchoolofMechatronicsandAutomation，ShanghaiUniversi

3、ty，Shanghai200072)AbstractAnattitudecontrolsystemforsmallunmannedhelicoptersbasedonaccelerometerandaIl81"rategyroscopeisdesignedinthispaper．ThedataofaccelerometerandrategyroscopeisfusedbyaKalmanfdtertogettheoptimalatti-．tudeofhelicopters．Theflightcontrolsystemusestheaboveopt

4、imalattitudeasfeedbacksignalandadopmfuzzyPIDmethodtogetsteeringenginecontrolsigna1．KeywordsSmallUnmannedHelicopter；KalmanFilter；FuzzyPID；AttitudeControl0引言超小型无人直升机是指旋翼直径在80cm～200cm之间的无人飞行器，其具有体积较小、隐蔽性好、灵活性好、起飞着陆场地小等特点，同时具有成本低的优点，在军民两用方面都能发挥重要作用。鉴于以上优点，诸多国内外公司、大学等研究单位纷纷开展了超小型

5、无人直升机飞控系统的www.tech-domain.com研究工作。姿态控制系统是整个飞控系统设计的关键，本文设计了一种基于加速度计和角速度陀螺的超小型无飞行控一直人直升机姿态控制系统，并经过多次试飞，证明了其制升可行性。苴机片1系统硬件设计机本文设计的姿态控制系统框图如图l所示，其由惯性传感器、硬件滤波电路、姿态解算单片机、飞行控!-_1制单片机和舵机控制器组成。本文采用的惯性测量传感器为1个双轴加速度计ADXL202和2个单轴角图1系统框图速率陀螺ENC03。ADXL202测量直升机的俯仰角和·收稿日期：2006—09一叭；g-回日期：20

6、06—10—10奎第论吝究得到国家863计划课题(编号：2005AA404290)资助、上海大学机械电子工程国家重点学科和上海市重点学科的资助。一作者简介：高同跃(1978一)，男，博士研究生，主要从事超小型无人直升机飞控系统的研究。科技论坛:www.tech-domain.com维普资讯科技论坛http://www.cqvip.com第1期高同跃，等：基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统71横滚角⋯，2个NEC03分别测量直升机的俯仰角速率和横滚角速率；对于直升机姿态控制，上述传感器最主要误差就是陀螺漂移⋯，必须采用数据融合算

7、法消除。2系统软件2．1数据融合算法本文的数据融合思想就是：采用卡尔曼滤波算法积分角速率信号得到预估姿态，然后由加速度计作为倾角仪纠正预估姿态和陀螺漂移；其卡尔曼滤波模型如图2所示。其中∞=[，]为角速率信号；=[加，，0]为陀螺漂移信号；=[，]为漂移补偿后的角速率信号。取状态矢量X=[。，，：，。二]=[口。，g，，g：，g，ccJ扪，ccJ，0]T其中前四维为一，，状态4元数，后两维为陀螺漂移。图2卡尔曼滤波模型OoOoOoOo由于状态4元数满足以下微分方程g0r0一ccJ一0g00一ccJ+加一ccJy+ccJ，0Og0一一●OOOOg

8、11lIoo一g1OO—ccJy+OOyog1●oo，，OOq2q2ccJx一扪q2oooo●lo一occJy—OOyo—ccJ+OOxoOg3gg3