【无人机系统】四轴飞行器及其UAV飞控系统 - 桂林电子科技大学信息科技学院 电子工程系（二）

四轴飞机只有动力系统，只有无头苍蝇。它需要一套姿态解决方案和处理系统来协调电机的转动 保持平衡，完成飞行动作。

我们建立了由三个单轴陀螺仪和三轴加速度传感器组成的惯性导航系统 螺仪输出与角速呈线性关系的模拟量，加速度传感器输出与加速度呈线性关系的模拟量。 地球表面有1G当飞机停止时，左右重力加速度，加速度传感器在Zffl上会有1G读数，X轴和Y 轴为0G。陀螺仪的每个轴读数也为0。倾斜时，陀螺仪会反映倾斜的速度，加速度传输 传感器直接输出叠加在轴上的重力加速度。在物理意义上，加速度数据是倾角数据。

这样，只要有加速度传感器，就可以知道倾角，但加速度传感器有一些非常不利的特性 例如，它对振动非常敏感。此外，当有侧向加速时，读数会大大偏移。不幸的是，这两种情况在飞机上 所有这些都存在。添加简单的滤波算法可以在一定程度上缓解问题，但严重影响数据的实时性，因此 仅仅使用加速度传感器作为四轴飞机的姿态采集系统是不够的。下图显示了轻微振动（握手传感器 加速值1.94V纹波高达600mV。很容易得出结 不能使用此类数据。

为了解决这些问题，我们的方法是按照一定的算法整合两者，加速度传感器有绝对的参考系统 — 地球重力加速，不会产生积累误差，温度漂移很小。在很长一段时间内，它的输出和倾斜 关系仍然稳定。陀螺仪积分抗干扰，反应灵敏，在短时间内可靠。因此，角度输出 倾向于在短时间内依赖陀螺仪的积分数据，加速度传感器只进行小修正。 度传感器的校正将使角度输出最终偏向加速度传感器。这样，陀螺仪的高速反应和抗干扰特性 可以保留，加速度传感器也会纠正积分积累误差和温飘大的缺点。两者优势互补，可以在高实时性的前提下给出理想的角度值数据

上述工艺计算量仍然相当可观，采用普通工艺MCU会占用，核心控制IC采用了Altera的FPG A,构建了专用SOPC系统，姿态处理过程HDL相应的编写和生成 最后，作为用户的硬件IP连接Nios2软核处理器。上图是该姿态解决系统的框图，左端输入陀 螺仪和加速度传感器的采样值，右端直接输出角度等信息，大大节省了硬件加速的复杂操作CPU时间提高了计算速度，其优势不言而喻