【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机，具体是一种无人机飞行姿态控制方法。
技术介绍
1、无人机飞控是无人机能否稳定、精准受控的核心，主要负责数据采集、融合计算、输出控制与飞行管理等诸多任务，目前国内外学者对此开展了大量的研究，中国飞行试验研究院设计的基于zynq平台，采用soc处理架构，双arm硬核+fpga可编程器件的小型无人机，虽然实现了高功率密度、高可靠性设计，但是由于引入过多传感器进行数据采集，导致飞控数据计算量过大，使得飞控响应速度降低，容易发生“死机”概率。同时无人机飞行过程中噪声的影响会引入误差，因此需要使用加速度计、磁力计对陀螺仪数据进行校准。但是由于磁力计易受干扰，所以本次设计中仅使用加速度计来矫正陀螺仪的数据，校准方式单一情况下，需要快速解算出欧拉角给飞控才能简化传感器数据采集的前提下实现精准、快速飞行，响应。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种无人机飞行姿态控制方法，以解决上述
技术介绍
中提出的飞控响应速度降低，容易发生“死机”概率等问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种无人机飞行姿态控制方法，通过加速度计校准陀螺仪输出的3个维度陀螺仪值、3个维度的加速度值、3个维度的磁力计值的原始16位ad值，通过mahony互补滤波算法解算出飞行器当前的姿态，将四元数表示的姿态值转化为欧拉角，用于姿态控制算法pid控制中，输出pwm波控制电机旋转，实现无人机姿态控制。
4、作为本专利技术的进一步技术方案：mahon
5、作为本专利技术的进一步技术方案：所述欧拉角与方向余弦矩阵之间的关系如下式(1)所示：
6、
7、其中θ、γ和表示机体欧拉角，θ为俯仰角，γ为滚转角，为偏航角，向量左乘即从导航坐标系n系旋转到机体坐标系b系；
8、四元数与方向余弦矩阵之间的关系如下式(2)所示：其中q0、q1、q2和q3表示实数，用四元数公式(2)表示：
9、
10、由公式(1)、(2)求解出欧拉角与四元数之间的关系如下式(3)所示：
11、
12、一组四元数表达一个飞行器的完整姿态，因此只要求出四元数，即推导出欧拉角，用于姿态控制算法pid控制中，由陀螺仪测量角速度，因此用四元数的三角式来建立微分方程，如公式(4)所示：
13、
14、令四元数对时间t进行微分，得到微分方程化简后如下(5)所示：
15、
16、求解公式(5)时，考虑到单片机只能处理离散数据，因此利用runge-kutta法求解，设有微分方程(6)：
17、
18、根据runge-kutta求解y的迭代公式(7)：
19、y(λ+δλ)＝y(λ)+δλ·f(x(λ)，y(λ)) (7)
20、套用公式得四元数微分方程如式(8)所示：
21、q(t+δt)＝q(t)+δt·φ(t)·q(t) (8)
22、写成矩阵形式如式(9)所示：
23、
24、上式中：是当前四元数，是上个周期的四元数，δt是计算周期，公式(9)表示各轴角速度(ωx,ωy,ωz)与四元数(q0，q1，q2，q3)的组合，角速度(ωx，ωy，ωz)数据通过陀螺仪测得。
25、作为本专利技术的进一步技术方案：所述加速度计校准陀螺仪通过陀螺仪测得的角速度解算出四元数，推导出机体坐标系下的理论重力加速度，三轴加速度计测量到机体坐标系下实际重力加速度，将理论重力加速度与实际重力加速度进行向量叉积，得出误差补偿给陀螺仪，实现加速度计对陀螺仪的校准。
26、作为本专利技术的进一步技术方案：所述向量叉积用公式(10)表示：
27、
28、其中，θ角即为误差，将单位化，得到公式(11)：
29、
30、小角近似得：
31、
32、上面利用向量的叉积度量了误差error，之后借助pid控制思想来控制补偿值的大小，pi控制器用公式(13)表示：
33、error_gyro＝kp·error+ki·∫error (13)
34、其中kp值越大，加速度计的数值越被采纳，将pi控制器计算出的补偿值加在角速度上，如公式(14)所示，kp值越小，陀螺仪的数值越被采纳，其中积分项来消除静态误差；
35、value_gyro＝value_gyro+error_gyro (14)。
36、作为本专利技术的进一步技术方案：采用双闭环串级pid控制策略来提高飞行控制系统的可靠性，双闭环串级pid控制策略中将期望姿态角与实际姿态角的偏差作为外环的输入，将期望角速度与陀螺仪采集的角速度差值作为内环输入，最终转换为pwm波信号控制四路电机转速，实现无人机姿态控制。
37、作为本专利技术的进一步技术方案：所述加速度计校准陀螺仪的型号为mpu9250。
38、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
39、本专利技术的无人机飞行姿态控制方法结合mahony互补滤波算法，求解出飞行器空中姿态，将四元数表示的姿态值转化为欧拉角，用于姿态控制算法pid控制中，从而输出pwm波控制电机旋转，实现无人机姿态快速、准确控制。
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1.一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，通过加速度计校准陀螺仪输出的3个维度陀螺仪值、3个维度的加速度值、3个维度的磁力计值的原始16位AD值，通过Mahony互补滤波算法解算出飞行器当前的姿态，将四元数表示的姿态值转化为欧拉角，用于姿态控制算法PID控制中，输出PWM波控制电机旋转，实现无人机姿态控制。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述Mahony互补滤波算法得出的无人机飞行姿态是四元数表示法，又因四元数、欧拉角与方向余弦矩阵之间存在转换关系，因此用四元数表示欧拉角。
3.根据权利要求2所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述欧拉角与方向余弦矩阵之间的关系如下式(1)所示：
4.根据权利要求3所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述加速度计校准陀螺仪通过陀螺仪测得的角速度解算出四元数，推导出机体坐标系下的理论重力加速度，三轴加速度计测量到机体坐标系下实际重力加速度，将理论重力加速度与实际重力加速度进行向量叉积，得出误差补偿给陀螺仪，实现加速度计对陀螺仪的校准。
5.根据权
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，采用双闭环串级PID控制策略来提高飞行控制系统的可靠性，双闭环串级PID控制策略中将期望姿态角与实际姿态角的偏差作为外环的输入，将期望角速度与陀螺仪采集的角速度差值作为内环输入，最终转换为PWM波信号控制四路电机转速，实现无人机姿态控制。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述加速度计校准陀螺仪的型号为MPU9250。
...【技术特征摘要】
1.一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，通过加速度计校准陀螺仪输出的3个维度陀螺仪值、3个维度的加速度值、3个维度的磁力计值的原始16位ad值，通过mahony互补滤波算法解算出飞行器当前的姿态，将四元数表示的姿态值转化为欧拉角，用于姿态控制算法pid控制中，输出pwm波控制电机旋转，实现无人机姿态控制。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述mahony互补滤波算法得出的无人机飞行姿态是四元数表示法，又因四元数、欧拉角与方向余弦矩阵之间存在转换关系，因此用四元数表示欧拉角。
3.根据权利要求2所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述欧拉角与方向余弦矩阵之间的关系如下式(1)所示：
4.根据权利要求3所述的一种无人机飞行姿态控制方法，其特征在于，所述加速度计校准陀螺仪通过陀螺仪测得...
【专利技术属性】
技术研发人员：李红燕，刘文庆，沈宝国，朱云阳，张伶俐，
申请(专利权)人：江苏航空职业技术学院，
类型：发明
国别省市：
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