1、1.1四 轴 飞行器 机械结构四 轴飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的 4 个电机驱动的一种飞行器。 飞行器 动作依靠 4 个电机的转速差进行控制， 其机械结构相对简单， 可由电机直接驱动 ，无需 复杂的传动装置。四轴飞行器按照电机轴的布置方式可分为十字模式和 X 模式 ，对于 姿态测量和控制来说， 两种方式 差别不大。考虑到 X 模式使用比较 广泛 ， 本次以 X模式讲解。1.2四 轴飞行器飞行动作原理四轴飞行器 各种飞行动作 依靠 4 个电机的转速差进行控制 ，有 八个动作：前后、左右、上下、 顺时针和 逆时针 。1.3四 轴 飞行器 算法设计地理坐标系 ： 是 固连在 地面的 惯性
2、坐标系 ， 采用 “东北天坐标系 ”， 重力是（ 0,0,1g），地磁是（ 0,1,X）。机体坐标系 ： 是 固连 在四轴飞行器上 的坐标系，其上 有陀螺仪加速度计可以测量角度 。1.3.1四 轴 飞行器 姿态姿态是描述 一个刚体的刚体坐标系和参考坐标系之间的 角度位置关系。用 三个姿态角表示：横滚角（ roll）、俯仰角（ pitch）、偏航角（ yaw） 。姿态控制 ： 横 滚角（ roll） 控制（ 在 YZ平面绕 X轴转动 产生 ）俯仰 角（ pitch） 控制（ 在 XZ平面绕 Y轴转动产生 ）偏航 角（ yaw） 控制（ 在 XY平面绕 Z轴转动产生 ）姿态解算整个姿态 解算 的原
3、理是： 由于 加速度计噪声误差和陀螺仪积分误差， 导致测得的机体坐标系不准，得到的姿态也就会不准确。因为地理坐标系中飞行器所受的重力和磁场是个常量， 如果 将 它们 转换到机体坐标系中，转换 后的重力向量和磁场向量与实际测量的向量 会有误差，只要消除此误差，就可以校正机体坐标系得到准确的姿态。 消除误差 采用 PI互补滤波 ，姿态表示用四元数（ a+bi+cj+dk， 且 ）1.3.2电机串级 PID控制串级与单级 PID区别：串级采用的是角度和角速度两级 PID，单级只采用角度 PID。假如我们控制物体位移为零，采用单级位移 PID控制，由于物体速度不为零，我们就不能保证物体位移为零，如果采
4、用位移和速度串级 PID就能保证物体位移为零了。所以四轴采用串级 PID控制性和稳定新都将更强。算法总结姿态角通过串级 PID控制电机转速姿态 解算整个姿态 解算 的原理是： 由于 加速度计噪声误差和陀螺仪积分误差， 导致测得的机体坐标系不准，得到的姿态也就会不准确。因为地理坐标系中飞行器所受的重力和磁场是个常量， 如果 将 它们 转换到机体坐标系中，转换 后的重力向量和磁场向量与实际测量的向量 会有误差，只要消除此误差，就可以校正机体坐标系得到准确的姿态。 消除误差 采用 PI互补滤波 ，姿态表示用四元数（ a+bi+cj+dk， 且 ）姿态解算得到姿态角 飞行动作遥控器设定目标姿态 解 算
5、算法 的实现步骤为 ：*将滤波后的三轴加速度计值归一化，该值为机体坐标系下 重力向量 的测量 值 *将地理坐标 系的重力向量转换到机体坐标系 中*将地理坐标系转换到机体坐标系下的重力向量与机体坐标系测量的向量外积（叉积），得到的就是两坐标系的误差。*因为 陀螺仪会 有 积分 误差 ，且四元数更新姿态是用陀螺仪来跟新的，所以陀螺仪的误差是导致机体坐标系产生误差的根本原因，这里用两坐标系误差的 PI来补偿陀螺仪，使得到的机体坐标系更加准确 。*四元数 姿态更新，对四元数进行微分方程的一阶毕卡算法*由于误差的引入使得四元数的模不再等于 1，四元数失去了规范性，因此在利用更新后的四元数计算欧拉角时，必须对四元数进行规范化处理 。地理坐标 系中重力的水平分量为零，仅用三轴陀螺仪和三轴加速度计无法计算出航向角，由于四轴飞行器保持稳定飞行只需要横滚角（ roll）和俯仰角（ pitch）就行，航向的改变通过遥控器就可以控制，所以四元数转换成欧拉角，这里只需转换横滚角和俯仰角 。结论： 消除误差的本质是利用加速度计来补偿陀螺仪。
