四轴飞行器姿态控制算法注释
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2017-06-11
18:34:30
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从开始做四轴到现在，已经累计使用了三个月的时间，从开始的尝试用四元数法进行
姿态检测，到接着使用的卡尔曼滤波算法，我们走过了很多弯路，我在从上周开始了对德
国人四轴代码的研究和移植，发现德国人的代码的确有他的独到之处，改变了很多我对模
型的想法，因为本人是第一次尝试着制作模型，因此感觉很多想法还是比较简单。经过了
一周的时间，我将德国人的代码翻译并移植到了我目前的四轴上，并进行了调试，今天，
专门请到了一个飞直升机的教练，对我们的四轴进行试飞，并与一个华科尔的四轴进行了
现场比较，现在我们四轴的稳定性已经达到了商品四轴的程度。下面是我这一周时间内对
德国人代码的一些理解：
德国人代码中的姿态检测算法：
首先，将陀螺仪和加速度及的测量值减常值误差，得到角速度和加速度，并对角速度
进行积分，然后对陀螺仪积分和加速度计的数值进行融合。融合分为两部分，实时融合和
长期融合实时融合每一次算法周期都要执行，而长期融合没 个检测周期执行一次，
注意检测周期小于控制周期的
实时融合：
将陀螺仪积分和加表滤波后的值做差
按照情况对差值进行衰减，并作限幅处理
将衰减值加入到角度中。
长期融合：
长期融合主要包括两个部分，一是对角速度的漂移进行估计估计值是要在每一个控制
周期都耦合到角度中的，二是对陀螺仪的常值误差也就是陀螺仪中立点进行实时的修正。
将陀螺仪积分的积分和加速度积分做差：为什么这里要使用加表积分和陀螺仪
积分的积分，因为在 个检测周期内，有一些加速度计的值含有有害的加速度分量，如
果只使用一个时刻的加表值对陀螺仪漂移进行估计，显然估计值不会准确，使用多个周期
的值进行叠加后做座平均处理，可以减小随机的有害加速度对估计陀螺仪漂移过程中所锁
产生的影响
将上面两个值进行衰减，得到估计的陀螺仪漂移
对使考虑了陀螺仪漂移和不考虑陀螺仪漂移得到的角度做差，如果这两个值较大，
说明陀螺仪在前段时间内测到的角速率不够准确，需要对差值误差也就是陀螺仪中立点
进行修正，修正幅度和差值有关
长期融合十分关键，如果不能对陀螺仪漂移做修正，则系统运行一段时间后，速率环
的稳定性会降低。
下面比较一下德国四轴中姿态检测部分和卡尔曼滤波之间的关系：
卡尔曼滤波是一种线性系统的最优估计滤波方法。对于本系统而言，使用卡尔曼滤波
的作用是通过对系统状态量的估计，和通过加速度计测量值对系统状态进行验证，从而得
到该系统的最优状态量，并实时更新系统的各参数矩阵，而最重要的一点，改滤波器能
够对陀螺仪的常值漂移进行估计，从而保证速率环的正常运行，并在加速度计敏感到各种
有害加速度的时候，使姿态检测更加准确。但是卡尔曼滤波器能否工作在最优状态很大程
度上取决于系统模型的准确性，模型参数的标定和系统参数的选取。然而，仅仅通过上位
机观测而得到最优工作参数是不显示的，因为参数的修改会导致整个系统中很多地方发生
改变，很难保证几个值都恰好为最优解，这需要扎实的理论知识，大量的测量数据和系统
的仿真，通过我对卡尔曼滤波器的使用，发现要想兼顾锁有的问题，还是有一定难度的。
而德国人的姿态检测部分是在尝试使用一种简单方法去解决复杂问题，他既没有使用
传统的四元数法进行姿态检测，也么有使用卡尔曼滤波。他的计算量不比最简单的卡尔曼
滤程序波程序的计算量小，但与卡尔曼滤波相比，更加直观，易于理解，参数调节也更加
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