论文总字数：21561字

摘 要

四旋翼飞行器是当前军事和民用航拍中的热门研究热点，它的外形新颖、成本低廉、结构简单、性能卓越，吸引了一大批科研人员。我们小组选取四旋翼飞行器作为对象，目标从驱动、飞行、控制到后期生成报告，完成四旋翼飞行器的所有基础操作，并进行探索研究。

本文主要是从四旋翼飞行器的角度变化数据和位置数据作为本次研究的出发点，利用电子陀螺仪和GPS定位两个模块,提取飞行器在空中飞行时的角度变化信号和位置信号，并且在后期对提取出来的信号进行解算处理，从而得到飞行器在飞行过程中具体的姿态变化和位置数据。

本文使用TMS320F2812 DSP开发板，在CCS的软件环境下，实现了对电子陀螺仪数据的读取和姿态解算，清晰显示出飞行器在俯仰、偏航、横滚三个角度变化，并利用GPS提取位置信息加入失控返航功能，这可以防止飞行器脱离信号的控制范围，。

关键词：电子陀螺仪 姿态解算 GPS

Displacement signal acquisition and processing of electronic gyroscope

Abstract

Four rotor aircraft is a hot research subject in current military and civilian aerial, With the novel appearance, cheap cost, simple structure and excellent performance，it have attracted a large number of researchers. Our team selected four rotor aircraft as the object, targeting from its drive, flight, control to the later report. We planned to accomplish all the basic operation of four rotor aircraft, and keep exploring the research.

This paper is mainly focused on the attitude and position information of four rotor aircraft .The the angle change of signal and position signal are extracted by electronic gyroscope and GPS module, and then calculate signal we have got, Finally we obtain the vehicle specific changes in attitude and position data.

In this paper, we use TMS320F2812 DSP circuit board. Under the CCS software environment, it is convenient for realizing of the electronic gyroscope data and attitude solution. The software clearly shows the aircraft changes in pitch, yaw and roll angle. And location information is use to add return function preventing aircraft out of control, it also makes for aircraft in the control while aircraft is working.

Keywords: Electronic gyroscope Attitude solution GPS

目录

摘要 2

Abstract 3

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 四旋翼飞行器的研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3本文的研究内容 2

1.3.1电子陀螺仪的信号采集与处理 2

1.3.2 GPS的信号采集与处理 3

1.4相关软硬件介绍 3

1.4.1 TMS320F2812开发板简介 3

1.4.2 CCS软件简介 3

第二章 电子陀螺仪位移信号的采集 5

2.1 MPU6050在四旋翼飞行器中的控制作用 5

2.2 MPU6050模块的硬件组成 6

2.2.1 陀螺仪和加速度计 6

2.2.2 MS5611传感器 7

2.3 IIC通信协议原理 7

2.3.1 IIC的协议简介 7

2.3.2 IIC协议的几个特征 8

2.3.3 DSP F2812中GPIO模拟IIC接口的实现 8

2.3.4 IIC协议的数据传输 9

2.4 IIC通信在程序中的实现 12

第三章 电子陀螺仪数据的姿态解算 16

3.1 四元数姿态解算原理 16

3.2 基于DSP的IMU算法程序的实现 17

3.3 数据结果分析 19

第四章 GPS的定位数据提取 21

4.1 GPS在四旋翼飞行器的作用说明 21

4.2 SCI串口读取GPS帧数据的实现 21

4.2.1 GPS的数据格式 21

4.2.2 SCI串口读取GPS帧信息 23

4.3 程序中字符串匹配提取所需定位数据的实现 24

4.4 软硬件测试 26

第五章 总结与期望 28

5.1 总结 28

5.2 期望卡尔曼滤波的实现 28

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1 引言

世界上第一架四旋翼飞行器正式飞上天空在1907的时候，这项工作由Breguet完成^（1）。四旋翼飞行器的动力装置是四个电机，在飞行过程中，控制系统通过调整电机的转速来控制它的动向。四旋翼飞行器的四个螺旋桨在设计布局上呈十字形，和电机是直连的，同时它是个欠驱动的系统。它的复杂性决定了它现在只能用于科学领域，很少用于大型的商业领域。近年来微机电的电控技术迅速发展，使得稳定的四轴飞行器得到广泛的支持，应用前景非常广泛，由于四旋翼飞行器的体型较小，可实现空中隐形，而且能够在空中完成一些既定的动作和任务，使得它在军事领域得到了很大的发展空间，并且越来越受到科技爱好者的关注。四旋翼飞行器和以往的传统的飞行器比起来机身显得很小小，而且飞行时不会发生危险事故，结构简化了很多，它的体积决定了它的控制也会非常灵活，在除却军事上的特殊用途上，它还可以用来做大气监测，交通监控，森林防火等。目前来说国外对于四旋翼飞行器的研究正在蓬勃发展，美国、德国、日本等均有这类研究，很多技术都已成熟。

目前，四旋翼飞行器在在大学生的研究掀起新的热潮，尤其是在飞行器的控制部分，在面对控制需求非常精准的飞行器上，需要的是精准的姿态角度，然后配合无限传输模块，从而实时控制电机速度调整。在这样的大环境下，飞行器上需要装载先进的电子陀螺仪模块，模块上的传感器敏锐的捕捉飞行器的运动情况，这和模拟机的原理相似，传感器将收集到的信息通过固定协议传输到处理器上，我们便可以对陀螺仪模块采集到的浮点数数据进行信号处理。同时，飞行器还需要一个定位的模块，来实时显示它的位置信息。

1.2 四旋翼飞行器的研究现状

1.2.1国外研究现状

四旋翼飞行器的技术一直处于不断发展中，国际上的研究重点很多，研究最多的是自主飞行控制算法。目前已经能够实现在固定的平台自主起飞，在自主悬停的技术上做了很多的研究，还可以做到和地面上移动的机器人协同。美国的大学研究小组在这方面的成果可以说是最出色的。

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