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四轴飞行器姿态解算算法研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容

1.4 本章小结

第二章 姿态解算的原理

2.1 坐标系的定义

2.2 坐标转换

2.3 姿态解算的一般算法

2.4 本章小结

第三章 姿态解算的数据预处理

3.1 MEMS惯性传感器的工作原理

3.1.1 陀螺仪工作原理

3.1.2 加速度计工作原理

3.1.3 磁力计工作原理

3.2 MEMS惯性传感器的数据处理

3.2.1 陀螺仪数据处理

3.2.2 加速度计数据处理

3.2.3 磁力计数据处理

3.3 本章小结

第四章 基于数据融合的姿态解算算法

4.1 扩展卡尔曼滤波算法

4.2 梯度下降法

4.3 混合滤波算法

4.4 本章小结

第五章 姿态解算算法的测试

5.1 姿态解算测试平台的设计

5.1.1 姿态解算测试平台的硬件设计

5.1.2 姿态解算测试平台的软件设计

5.2 测试与结果

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录

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摘要

四轴飞行器是一种具备垂直起降和自主悬停功能的小型无人飞行器,在军事和民用领域有着广泛的应用,姿态解算的速度与精度直接影响到四轴飞行器运行过程中的稳定程度。针对四轴飞行器的姿态解算问题,本文提出一种基于混合滤波的姿态解算算法。
  首先对姿态解算的基本原理展开了详细的介绍,确定四元数法作为本文姿态解算的主要算法,并进行了详细的推导和论证。通过分析陀螺仪、加速度计、磁力计的工作原理,分别设计了一阶低通滤波器和卡尔曼滤波器对陀螺仪、加速度计的原始数据进行滤波处理,并采取简单标定法对磁力计的原始数据进行处理。然后,在四元数算法的基础上,提出一种向量叉积法和互补滤波相结合的混合滤波算法,将传感器采集到的加速度、角速度以及磁场强度数据进行融合,利用加速度计和磁力计测得的向量偏差,对姿态解算过程中陀螺仪产生的积分累计误差进行修正。最后,搭建姿态解算测试平台对混合滤波算法进行测试,姿态解算测试平台主要包括:主控制器模块、姿态传感器模块、无线通信模块、电池模块、电机驱动模块和无刷电机。
  实验结果表明,采用混合滤波算法解算出的姿态角能够很好地稳定在初始姿态角附近,俯仰角、滚转角、偏航角的最大误差均不超过0.2°,混合滤波能有效地修正陀螺仪的积分累计误差,并且混合滤波算法的一次迭代滤波所需的平均用时较短,在提高姿态解算的精度的同时降低了运算复杂度,提高了运算效率。

著录项

  • 作者

    罗君;

  • 作者单位

    长沙理工大学;

  • 授予单位 长沙理工大学;
  • 学科 电子科学与技术
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 唐立军;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 V249.122.2;
  • 关键词

    四轴飞行器; 姿态解算算法; 混合滤波;

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