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摘 要

随着传感器技术、配套硬件等的不断发展，四旋翼飞行器逐渐发展并普及开来，凭借其特有的优势逐渐在民用、军用等领域发挥出重要作用，并表现出广阔的应用前景。本课题组分别对四旋翼飞行器的启动电路、电机调速、姿态解析等方面进行研究。

本课题的主要任务是完成对姿态传感器MPU 6050工作原理的研究、获取传感器数据并对获取的数据进行算法解析以得到四旋翼飞行器的实时姿态，将姿态数据放入缓冲区为电机调速提供参考，保证四旋翼飞行器能够在飞离地面后保持平稳。通过对各种姿态解析算法进行比较与优化、通过滤波算法获取稳定的姿态数据，以实现对电机的动态调控。

本课题使用TMS320F28335主控芯片，在CCS软件环境中进行算法的程序实现以及对实验数据的获取与处理。实验数据表明，本课题所使用的解析算法能够准确地解算出传感器当前的俯仰角、横滚角与偏航角，数据稳定、波动小，不仅能表现出飞行器的实时姿态，而且满足后续处理的需求。

关键词：姿态解析 四旋翼飞行器 MPU6050 卡尔曼滤波

Electronic Gyroscope Algorithm Optimization and The Analysis of Movement

Abstract

With the sensor technology, supporting hardware such as the continuous development of four-rotor aircraft evolved and popularized, by virtue of its unique advantages gradually in civilian, military and other fields play an important role, and showed broad application prospects. Our group of four-rotor aircraft aspects of start-up circuit, motor speed, posture and other analytical studies, respectively.

The main task of this project is to complete the study of the posture sensor MPU 6050 works, obtain sensor data acquisition and data parsing algorithm to obtain real-time four-rotor aircraft attitude, the attitude data into the buffer to provide a reference for the motor speed to ensure smooth flight four-rotor aircraft. By comparing various postures parsing algorithm and optimization, get a stable attitude data by filtering algorithms to achieve dynamic control of the motor.

This paper use TMS320F28335 master chip, the algorithm in the software environment CCS program implementation and acquisition and processing of experimental data. Experimental data show that the analytical method used in this study can accurately calculate the aircraft's current pitch angle, roll angle and yaw angle, the data is stable, small fluctuations reflect the attitude of the aircraft in real time, to meet the needs for subsequent processing.

Keywords: Attitude resolve; four-rotor aircraft; MPU6050; Kalman Filter

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状及应用前景 1

1.3 课题概述 2

第二章 电子陀螺仪及优化算法介绍 3

2.1 电子陀螺仪原理简介 3

2.2 MPU 6050简介 3

2.3 数据解算原理 5

2.4 电子陀螺仪算法优化思想 6

2.5 常用滤波方法介绍 8

第三章 电子陀螺仪位移信号采集 9

3.1 系统集成与调试工具简介 9

3.2 IIC通信协议 9

3.3 数据采集模型及实现 11

第四章 优化算法的软件实现 13

4.1 IIC通信的软件实现 13

4.2 姿态信息解算系统的坐标标定 16

4.3 基于DSP的IMU算法程序 19

4.4 对数据进行数字滤波处理 21

4.4.1 Filter()滤波函数介绍 21

4.4.2 基于数据融合的卡尔曼滤波算法调试 23

4.4.3 滑动窗口滤波算法调试 24

第五章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 对姿态解析算法优化的期望 26

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

随着主控板与配套传感器、硬件等的高速发展与普及，在航模界中四旋翼飞行器逐渐发展起来。与其它飞行器相比，小型四旋翼飞行器有以下优势：机械结构较为简单、体型较小，不易发生事故并且同等体积能够产生更大的升力等^[1]；除此之外，小型四旋翼飞行器的操控性能极佳，有着能够在小区域内完成起降、飞行、盘旋等操作的能力，可以完成一些指定动作及任务^[2]。因此其具有广阔的应用前景，成为国内外的研究热点。

当小型四旋翼飞行器飞离地面之后，往往面临着风力、转向、自身配重不均等问题，会出现操控不稳的情况，给飞行器控制带来诸多不便。要实现小型四旋翼飞行器实时姿态的动态监控^[3]，进而对飞行器进行实时调整甚至实现自主调整飞行姿态，就需要有传感器对飞行器的姿态信息以及位移信号进行实时监测^[4]，并实时将数据发送至控制中心或缓冲区，通过控制器进行决断，执行PID算法调整PWM输出，进而调整电机转速，最终达到使飞行器平稳飞行的目的。

1.2 研究现状及应用前景

国际上，四旋翼飞行器已越来越多地被应用于民用、军事等领域；在国内，虽然对飞行器的研究相对起步较晚，但成果也很出色，部分四旋翼飞行器已经在航拍、无人机派送快递等领域逐渐投入使用。市面上的部分四旋翼飞行器在控制自身平稳飞行上面已经取得了不俗的成绩，甚至可以在保证自身平稳的条件下完成兴趣点环绕、热点跟随、3D翻滚等高难度动作。多数飞行器配置也开始升级，开始配备地磁传感器、气压高度计、GPS等辅助确定飞行器飞行姿态的传感设备，使得飞行器状态更透明、更智能，手工操作上的体验越来越好，在自主飞行方面的能力也不断提高^[5]。

相信随着科技的进一步发展，四旋翼飞行器技术会发展得更加成熟、实用性更强，在稳定性、可操控性、续航等方面会有进一步的提高，甚至达到自主飞行的水平。同时，在军事上小型四旋翼飞行器可能会编入甚至取代当今的无人侦察机编队，实现监测的隐密性、高效性，提高我国的军事实力；民用方面，飞行器在派送快递、进行航拍监控、危险地形搜救等方面也将派上大用场，能够配合人员甚至取代人力进行独立工作，将带了巨大的经济效益。

1.3 课题概述

在本课题中，通过通信系15届毕业生的努力，飞行器已经可以实现单翼电机的启动与控制；在姿态数据解析方面，通过软件模拟IIC的方法，实现了对电子陀螺仪模块数据的读取并对数据进行了初步处理。但存在着角度数据不稳定的问题，需要对姿态解析算法进一步研究，通过比较、借鉴现有的解析算法，寻找最佳的解析算法对数据进行解析，并对角度进行适当的滤波处理，最终获得稳定的姿态数据。

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