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四轴飞行器及其UAV飞控系统 - 桂林电子科技大学信息科技学院 电子工程系

嗯 ，这篇论文看样子飞控什么电路都是自己搭建的，觉得有比较大的参考意义吧，现在基本上是往底层这边靠近了

2 .飞行器姿态解算

2.1陀螺仪、加速度传感器是什么

四轴飞行器仅有动力系统还只是无头苍蝇，它需要一套姿态解算与处理系统协调各电机的转
速，以保持平衡、完成飞行动作。

我们搭建了一套惯性导航系统，该系统由三颗单轴陀螺仪和一颗三轴加速度传感器组成，陀
螺仪输出与角速度呈线性关系的模拟量，加速度传感器则输出与加速度呈线性关系的模拟量。因
地球表面有1G左右的重力加速度，当飞行器悬停时，加速度传感器在Zffl上会有1G读数，X轴和Y 轴为0G。陀螺仪各轴读数也为0。当发生倾斜时，陀螺仪会反映出倾斜的快慢情况，而加速度传
感器则直接输出叠加在该轴上的重力加速度，就物理意义来说，这个加速度数据就是倾角数据。

2.2加速度传感器的不足

这样看似只要有加速度传感器就可以知道倾角了，但是加速度传感器有些很不利的特性，比
如对震动非常敏感，另外当存在侧向加速度时，读数会大幅偏移，而很不幸这两种情况在飞行器
上都存在。加入简单的滤波算法可在一定程度上缓解该问题，但又严重影响数据的实时性，因此
仅使用加速度传感器作为四轴飞行器的姿态采集系统是不够的。下图为轻微振动时（手抖传感
器），加速度传感器某轴的输出情况，在峰值1.94V的情况下纹波高达600mV。很容易得出结
论，这样的数据是不能使用的。

2.3陀螺仪的局限

那么我们能否利用陀螺仪的积分数据呢，角速度积分就是角度，它的物理意义与重力传感器
是相同的而且基本不受震动和侧向加速度影响，但是同样有问题一积分会产生累积误差，这个
误差会随积分过程不断扩大，使输出严重偏离真实值。于此同时，出于成本考虑我们没有选用昂
贵的高精度陀螺仪，根据飞行器的特性也不能加入高通滤波器，因此温漂的问题也导致了积分中
立点的飘移，进而使积分数据越来越不可靠，如下图绿色线所示，在正向旋转传感器后，再回转
相同角度，输出却没有回归X轴。

2.4 融合算法与ALTERA SOPC系统的优势

为解决这些问题，我们的方法是将二者按一定算法进行融合，加速度传感器有绝对参考系
— 地球重力加速度，它不会产生累积误差，温漂极小。就一段较长的时间来看它的输出和倾角
的关系还是稳定的。而陀螺仪积分抗干扰，反应灵敏，在较短的时间内比较可靠。因此角度输出
短时间内倾向于依赖陀螺仪的积分数据，加速度传感器只进行小幅修正，在较长的时间后，加速
度传感器的修正将会使角度输出最终偏向加速度传感器。这样，陀螺仪的高速反应和抗干扰特性
得以保留，而积分累积误差和温飘较大等缺点也将被加速度传感器修正，二者优势互补，便能够在高实时性前提下给出一个较为理想的角度值数据

上述过程计算量还是非常可观的，采用普通MCU来做会占用，核心控制IC采用了Altera的FPG A,构建了专用SOPC系统，姿态处理过程用HDL编写并生成相应 的硬件，最后作为用户IP连接Nios2软核处理器。上图就是这套姿态解算系统的框图，左端输入陀 螺仪与加速度传感器的采样值，右端直接输出角度等信息，这种较为复杂的运算用硬件加速的方式大大节省了CPU时间，提高了运算速度，其优势不言自明

下图为采用融合算法后的示意图：