摘 要

本文主要介绍了四轴无人机最核心的技术，惯性导航姿态解析，惯性导航姿态解析决定了四轴无人机飞行的稳定性和可操作性。本论文主要对四轴无人机惯性导航姿态解析进行了研究，主要包括了四轴无人机重要硬件模块的研究设计，将加传感器的数据转化为四元数和欧拉角，完成四轴无人机的姿态分析，实现串级PID控制，以及整机调试，调整PID参数，油门曲率等参数，使四轴无人机飞行过程更为平稳。

本论文首先对四轴无人机的惯性导航姿态解析的发展历程及研究现状进行了阐述，然后完成传感器和飞控芯片的选型，确定了以MK64FX512VLQ12：飞思卡尔32-bit ARM CortexM4处理器为飞控芯片，以FXOS8700作为加速度计，以FXAS21002为陀螺仪的硬件系统，完成硬件系统设计后，论文对串级PID控制系统、惯性导航姿态解析的理论进行了分析，并阐述了惯性导航姿态解析及相应的串级PID代码部分的实现，最终分析整机调试中出现的问题，并阐述了解决问题的方案和优化无人机参数的方法。

本文特色：本文主要在前人的基础上研究了四轴无人机的惯性导航姿态解析，并运用一种较为简单的串级PID控制算法提升了四轴无人机在起飞、降落和飞行姿态发生变换时的稳定性和可操作性。

关键字：四轴无人机；惯性导航姿态解析；串级PID控制

Abstract

This paper mainly introduces the core technology of four-axis UAV, inertial navigation attitude analysis, inertial navigation attitude analysis determines the stability and operability of four-axis UAV flight. In this paper, the four-axis unmanned aerial vehicle inertial navigation attitude analysis was studied, including the application of the sensor data into a quaternion and Euler angle to complete the four-axis UAV attitude analysis, to achieve cascade PID control , As well as machine debugging, adjust the PID parameters, throttle curvature and other parameters, so that the four-axis UAV flight process more smoothly.

In this paper, the development process and research status of the inertial navigation attitude analysis of the four-axis unmanned aerial vehicle are expounded, and then the selection of the sensor and the flight control chip is completed. The MK64FX512VLQ12: Freescale 32-bit ARM CortexM4 is selected as processor .In this paper, the theory of the cascade PID control system and the analysis of the inertial navigation attitude is analyzed, and the inertial navigation attitude is described. The hardware system is designed with FXOS1800 as the accelerometer and FXAS21002 as the gyroscope hardware system. After the hardware system is designed, Analysis and the corresponding cascade PID code part of the realization of the final analysis of the machine debugging problems, and describes the solution to the problem and optimize the parameters of UAV parameters.

In this paper, we mainly study the inertial navigation attitude analysis based on predecessor's four-axis unmanned aerial vehicle (UAV), and use a relatively simple cascade PID control algorithm to improve the stability and operability of the four-axis unmanned aerial vehicle during takeoff, landing and flight attitude changes.

Key words: four-axis unmanned aerial vehicle; inertial navigation attitude analysis; cascade PID control.

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目标背景及意义 1

1.2惯性导航研究现状 2

1.3主要研究内容及结构 2

第2章 系统的结构 4

2.1硬件系统结构图 4

2.2软件系统结构图 5

第3章 器件选型 7

3.1硬件需求分析 7

3.2核心处理芯片的选择 7

3.3 陀螺仪模块 8

3.4加速度计模块 10

3.5 电调与电机模块 11

3.6 遥控及数传模块 13

3.7 电源模块 15

3.8本章总结 15

第4章 惯性导航姿态解析原理 17

4.1惯性导航系统的原理 17

4.1.1惯性导航系统常用坐标系 17

4.1.2捷联式惯性导航系统的原理 17

4.1.3平台式惯性导航系统的原理 18

4.2惯性导航系统的姿态解算 19

4.3惯性导航系统中串级PID控制的作用 22

4.3.1 PID各参数的意义 22

4.3.2串级PID参数对四轴飞行姿态的影响 22

4.4本章总结 23

第5章 惯性导航系统代码的实现 24

5.1惯性导航姿态解析 24

5.2串级PID实现 25

5.3本章总结 25

第6章 整机调试 26

6.1 ROLL、PITCH、YAW 方向PID参数调试 26

6.2整机试飞 26

6.3解决试飞发现的问题 27

6.4本章总结 27

第7章 结论与展望 28

参考文献 29

附录A 姿态解析及控制算法代码 30

致谢 39

绪论

本章要说明四轴无人机及惯导系统姿态解析的发展现状，惯导系统的发展历程以及国内外现在的研究情况。

1.1研究的目标背景及意义

四轴无人机，是一种多旋翼无人机。十字形的电机分布使无人机可以通过改变螺旋桨转速获得旋转和翻滚机身的力，从而调整自身姿态^[1]。它与常规旋翼式无人机相比，其结构更加简单，算法更加容易实现，机身整体紧凑，能够产生很大的升力，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^[2]。外形新颖、结构简单、成本低廉、性能卓越让它对科研人员和普通航拍消费者有很强的吸引力。由于四轴无人机的一些特殊性能，如重量轻、可装载载货物、体积很小等特点，四轴无人机可以解决一些特殊的任务^[3]。现在四轴无人机相关的研究正成为新的热点。如图1.1是现在较为流行的大疆无人机精灵3的实物图。

图1.1大疆无人机精灵3