基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

吴承建，沈 捷，陈乾坤

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，南京 211816)



基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

吴承建，沈 捷，陈乾坤

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，南京 211816)

四旋翼姿态控制器采用集成了加速度计和陀螺仪的惯性测量单元，实时采集姿态数据,传输给Cortex-M4内核的处理芯片，利用四元数姿态解算方法，对加速度和角速度数据融合解算处理；采用位置式PID控制算法，控制4个无刷电机的转速，实现控制四旋翼飞行器的飞行姿态；建立万向云台调试系统，通过实践调试验证该控制器能实现控制四旋翼姿态的稳定性；稳定飞行时，姿态角的平均振荡范围为5°。

惯性测量单元 ；PID；四元数；数据融合；姿态角；万向云台调试

0 引言

近年来，随着芯片、材料等技术的进步，加快了旋翼飞行器发展速度，在诸如地震灾情探查、电影电视节目录制等方面发挥着重要的作用。四旋翼飞行器有着相对于传统直升机特有的优势，包括便捷性、易操作和灵活性等。考虑到四旋翼飞行器是具有6个输入量、4个输出量的非线性欠驱动系统[1]，这使得飞行控制器的设计相对比较困难。本文以四旋翼飞行器的姿态稳定控制为目标，设计了主控制器硬件，在姿态角与加速度数据的解算中运用了卡尔曼滤波器，搭建了基于方向节的四旋翼实物调试系统。通过不断调整给定参数，重复试验，直至四旋翼能够保持姿态稳定。

1 控制器硬件系统

本文设计的四旋翼控制器采用32位ARM微控制器，运行最高时钟频率为168 MHz，主要处理多传感器实时采集到的飞行器姿态数据。……