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1、距离我发电调那一贴,已经经过零零散散的一年时间,初步完成了姿态估计部分,因本人基础学科较差,大部分时间都是在反复阅读理解各种资料,呵呵.俗话说的好,知识在于积累,四轴在于坚持.与大家共勉.一个稳定的系统,要有三个部分,(1)听话的执行模块(2)精确的测量模块(3)牛X的控制模块对于四旋翼来说,电调以及电机是执行模块,姿态估计,高度估计,位置估计等等这些都是测量模块,控制就不说了这里仅仅概述一下关于姿态估计部分的一些东西【1】数学平台这里所说的姿态,是用来描述一个刚体的固连坐标系和参考坐标系之间的角位置关系,有一些数学表示方法,很常见的就是欧拉角,也就是pitch,yaw,
2、roll三个转角,转来转去很容易把人转糊涂,所以我们还是看一下另外一种想象一下有两根筷子,它们的一端相连,并且两根筷子可以绕这一点旋转,呈一定角度,比如30度,那么现要让他们重合,很简单,把他们转到一起就行了,我相信没有人会先pitch XX度,然后yaw XX度 然后roll XX度,大家都会直接把它们转到一起,一次就可以搞定的事情,干嘛分三步?然后,更加理想化,固定其中一只筷子,旋转另外一只,那么很明显我们需要旋转30度,而旋转轴呢? 两根筷子确定一个平面A,沿它们的焦点做平面A的垂线,这就是旋转轴. 于是这就是一次旋转的姿态描述方式,爱尔兰数学家哈密顿发明了一种叫做
3、[四元数]的东西可以用来描述这种一次旋转,关于[四元数]的相关知识,可以看这个四元数ourdev_VIYSS5.pdf(文件大小:94K) (原文件名:Shoemake-quattut.pdf)我们要解决四旋翼和地球的相对姿态问题,地球太大了,换一个小一点的概念,将四轴放在水平地面上,四轴上固定着一个坐标系r,地面上固定着一个坐标系R,用四元数Q来描述r和R的角位置关系.于是现在有了基本的数学平台。【2】传感器再来说说测量的问题1.陀螺仪,可以测量角速度,具有高动态特性,但是它是一个间接测量器件,它测量的是角度的导数,角速度,显然我们要将角速度对时间积分才能得到角度如果这
4、个世界是理想的,美好的,那我们的问题到此就解决了,不过很遗憾,现实是残酷的,误差的引入,使得积分出现了问题假设陀螺仪固定不动,理想角速度值是0dps(degree per second)，但是有一个偏置0.1dps加在上面,于是测量出来是0.1dps,积分一秒之后,得到的角度是0.1度,1分钟之后是6度,还能忍受,一小时之后是360度,转了一圈,也就是说,陀螺仪在短时间内有很大的参考价值。2.加速度计,可以测量加速度,包括重力加速度,于是在静止或匀速运动的时候,加速度计仅仅测量的是重力加速度,而重力加速度与刚才所说的R坐标系是固连的,通过这种关系,可以得到加速度计所在平面
5、 与 地面 的角度关系.但是加速度计若是绕着重力加速度的轴转动,则测量值不会改变,也就是说无法感知这种水平旋转。3.磁传感器,可以测量磁场,在没有其他磁场的情况下,仅仅测量的是地球的磁场,而地磁也是和R坐标系固连的,通过这种关系,可以得到平面A和地平面的关系(平面A：和磁场方向垂直的平面)，同样的，若是沿着磁场方向的轴旋转，测量值不会改变，无法感知这种旋转。综合考虑，加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器，都只能得到2维的角度关系，但是测量值随时间的变化相对较小，结合加速度计和磁传感器可以得到3维的角度关系。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系，动态性能好，受外部干扰小
6、，但测量值随时间变化比较大。可以看出，它们优缺点互补，结合起来才能有好的效果。【3】数据融合现在有了三个传感器，都能在一定程度上测量角度关系，但是究竟相信谁？根据刚才的分析，应该是在短时间内更加相信陀螺仪，隔三差五的问问加速度计和磁传感器，我角度飘了多少了？有一点必须非常明确，陀螺仪才是主角，加速度计和磁传感器仅仅是跑龙套的关于数据融合，也有好多方法，这里采用一种最为形象，贴切的，简单易懂的，[互补滤波]，可以先通过这个简单的单轴融合的例子了解，来自CROSSBOWCROSSBOWourdev_SBWOGM.pdf(文件大小:112K) (原文件名:Combine Ang
7、ular Rate Sensors with Accelerometers.pdf) (原文件名:融合流程(CROSSBOW).JPG) 引用图片 通过上图可以看出,陀螺仪在融合后的角度基础上积分,然后与加速度计测量的角度融合,然后又提供给下一次积分,看起来更像一个反馈系统.【3】全姿态融合上面的例子仅仅是单轴的融合，理解了单轴就可以结合四元数，得到3维的姿态融合方法了 (原文件名:姿态融合.JPG) 引用图片图中的符号解释：Bg是加速度计测得的值,扩充为四元数,Bg=[0,Bgx,Bgy,Bgz],上标B代表是在体坐标系(B
