1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1背景及意义

四轴无人机是一种可以进行悬停、垂直起降、俯仰运动、横滚运动和偏航运动等特殊飞行能力的多旋翼飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其结构简单，整体更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩不需要专门的反扭矩桨^[1]。另外新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式使其对广大科研人员具有很强的吸引力，由于其体积小、重量轻、可以携带一定的载荷的能力，四轴飞行器可以解决一些特定的任务，如交通监视、电影录制以及到人类无法到达或者很难到达的地方去实施营救，现在四轴无人机相关的研究正成为国际上新的热点^[2]。

惯性导航姿态解析，就是指飞行器在进行飞行状态的变化时，惯性导航系统通过自身安装的传感器，读取载体在飞行过程中的各项参数，再将读収的参数传送给核心处观器，经过滤波及融合处理，将解析后的信息传送给控制单元^[3]。飞行控制单元根据载体传送的导航参数，如速度、姿态、位置等，经过行控制算法的处理，对行载体实现反馈控制。对于四轴无人机而言，最关键的技术是实现其飞行姿态稳定，由于飞行载体的运动状态要随着复杂环境的变化和自身姿态的转换，做出相应的改变，就需要导航系统核心处理器实时输出载体的速度、姿态及位置信息。因此，对导航参数的输出实时性以及导航精度的要求显得格外严格^[4][5][6]。而四轴无人机惯性导航姿态解析研究，就是对此过程的解析和优化，这对提升四轴无人机飞行的稳定性和安全性有着重要意义^[7]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本系统拟使用加速度传感器、陀螺仪传感器采集数据对四旋翼无人机的飞行姿态进行检测，当无人机的姿态发生变化或遥控接收机收到来自遥控器的遥控信号时，飞控对接收到的数据进行分析和处理，完成无人机的姿态解析并稳定其飞行状态。系统内容包括;

（1）无人机相关传感器；

（2）无人机相关通信协议；

（3）四轴无人机的硬件系统；

（4）惯性导航的姿态解算、滤波算法;

（5）惯性导航系统的软件代码。

2.2 技术方案

本系统描述的四轴姿态解析系统包括-五个模块，分别为：加速度计模块，陀螺仪模块，电机模块，遥控模块和飞控模块^[11][12]，图1给出了四轴姿态解析系统的框架结构。

加速度计模块：本系统拟采用飞思卡尔FXOS8700CQ六轴加速度传感器，该模块在四轴无人机发生姿态变化时，计录相应的变化量，并通过SPI通信协议的方式将记录的数据传送给飞控模块，但加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差，要与陀螺仪进行互相协调工作^[13]。

陀螺仪模块：本系统拟采用飞思卡尔 FXAS21002三轴数字角速度陀螺仪，该模块在四轴无人机发生姿态变化时，计录相应的变化量，并通过SPI通信协议的方式将记录的数据传送给飞控模块，陀螺仪在较短时间内比较准确而较长时间则会由于漂移而存有误差，需要与加速度计协调工作^[14]。

电机模块：该模块包括两个部分，第一部分是电调，该系统拟采用好盈天行者40A电调，它主要的作用是接收到飞控传输的数据，控制电机的转速，通过四个电机的不同转速，可以使飞机完成俯仰，横滚，偏航的动作。第二部分是电机，本系统拟采用朗宇A2212/980KV的电机,电机分为正反转两对，4只旋翼可相互抵消反扭力矩不需要专门的反扭矩桨^[15]。

遥控模块：本系统拟采用天地飞8通道遥控器及对应的遥控接收机，该模块主要通过PWM信道完成遥控器信号的发送和接收，将信号传递给飞控，进而对电机模块进行控制^[16]。

飞控模块：本系统拟采用飞思卡尔32-bit ARM CortexM4处理器，该模块的工作是进行四轴无人机飞行姿态解析的关键模块，飞控模块接收到加速度计和陀螺仪记录的数据后，对数据进行卡尔曼滤波和互补滤波的处理^[17]，完成无人机的姿态解析，完成四元数的解析并算出对应的欧拉角^[18]，进一步改变四个电调的PWM输出，从而使四轴无人机的姿态发生变化，并同时稳定自身的飞行状态^[14][19][20]。

图1系统结构图

2.3 预期目标

在遥控器的控制下，四轴无人机能在空中实现稳定起飞，降落，悬停，飞行的动作。

3. 研究计划与安排

第1周：选定毕业设计题目，并查找相关资料；

第1-3周：查找资料；撰写开题报告；；

第4周：根据系统框架确定设计方案；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈敏.四轴无人机惯性导航系统的研究.哈尔滨理工大学，2013年3月

[2]冀亮,钱正洪,白茹.基于四元数的四轴无人机姿态的估计和控制.现代电子技术 , 2015年11期

[3]luis rodolfo garcía carrillo, alejandro enrique dzul lópez, rogelio lozano, claude pégard.combining stereo vision and inertial navigation system for a quad-rotor uav.journal of intelligent amp; robotic systems, 2012, vol.65 (1), pp.373-387