基于marg传感器的四旋翼姿态控制器研究

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1、硕士学位论文基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究RESEARCHONANATTITUDECONTROLLERFORFOUR-ROTORUAVBASEDONMARGSENSORS张柳哈尔滨工业大学2016年12月万方数据国内图书分类号：TP271学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究硕士研究生：张柳导师：刘守斌副教授申请学位：工程硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TP271U.D.C

2、:621DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringRESEARCHONANATTITUDECONTROLLERFORFOUR-ROTORUAVBASEDONMARGSENSORSCandidate：ZhangLiuSupervisor：AssociateProf.LiuShoubinAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeinEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchool

3、DateofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近年来随着MEMS技术和嵌入式处理器的飞速发展，出现了体积小、重量轻、功耗低，集加速度计、磁力计和陀螺仪为一体的MARG（magnetic，angularrateandgravity）传感模块，该传感模块不仅可用于空中四旋翼的姿态检测，也可以用来设计新型地面姿态遥控器。本文基于MARG传感模块及多传感器数据融合技术，设计一种新型姿态遥控器，实现对四旋翼的姿态控

4、制。为了保证姿态遥控器中MARG传感模块自身输出数据的准确性，首先分析了MARG传感模块中加速度计、磁力计和陀螺仪的误差源，建立了加速度计、磁力计和陀螺仪的误差模型。将MARG传感模块固定在三轴手动转台上，调节三轴转台的角度，采集到传感模块在全姿态下的输出数据，基于误差模型采用非线性最小二乘法得到比例因子矩阵及零偏系数，完成对三轴加速度计及三轴磁力计的静态标定。再用速率转台对三轴陀螺仪做速率标定，得到了三轴陀螺仪的比例因子矩阵及零偏系数。MARG传感模块的三种传感数据经各自的比例因子矩阵及零偏系数的校准而输出。为了保证姿态遥控器自身姿态估计的准确性，互补滤波及扩展卡

5、尔曼滤波被用作姿态角度数据的融合。互补滤波融合算法根据不同传感模块的频率响应特性，将陀螺仪的角度数据与加速度计及磁力计解算的角度数据相融合，利用加速度计和磁力计的低频有效输出来抑制陀螺仪的漂移，减小姿态估计的偏差。扩展卡尔曼滤波融合算法利用加速度计及磁力计的估计值与校准测量值的差值对陀螺仪的输出进行修正。在Matlab环境中对不同类型传感器输入数据的姿态解算值及融合值进行比对，来验证算法的有效性。多传感器数据的融合提高了传感模块的姿态测量准确度和抵抗振动冲击的能力。基于MPU6050和HMC5883L传感模块及STM32F407单片机设计并制作了四旋翼姿态控制器。在

6、STM32F4中通过C语言编程实现滤波融合算法，将融合后姿态角值作为控制量经2.4G无线模块发送到四旋翼信号接收机，对四旋翼飞行进行实时控制，上位机同时记录姿态角发送数据及四旋翼飞行器姿态的回传数据。实验表明，采集到四旋翼的姿态曲线波形可实时跟随MARG传感模块的姿态曲线，姿态控制器可对四旋翼的姿态进行灵活控制，验证了本文设计的姿态控制器的可行性及姿态角数据融合算法的有效性。关键词：四旋翼遥控器；MARG传感器；姿态控制；数据融合；卡尔曼滤波I万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopme

7、ntofMEMStechnologyandembeddedprocessor,theMARGsensormodulewhichintegrateaccelerometer,magnetometerandgyroscopewithsmallsize,lightweight,lowpowerconsumptionhaveappeared.Thesensormodulecannotonlybeusedforairbornefour-rotorattitudedetection,butalsocanbeusedtodesignanewgroundattituderemo