论文坐式垂直起降无人机的一种姿态解算算法的设计是关于对不知道怎么写无人机论文范文课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文无人机论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料下载。
摘 要：固定翼模式水平飞行的坐式垂直起降无人机克服了传统固定翼无人机起降条件要求高的缺点,继承了其总体效率高的优点,拥有巨大的发展潜力和非常广阔的应用前景.坐式垂直起降无人机在起降阶段姿态变化范围大,所使用的姿态传感器在俯仰方向的角度变化超过90°时,根据四元数转换出的欧拉角会出现奇异点,即万向节死锁.从解算算法出发,提出了一种更改旋转顺序的方法,避免奇异点出现.结果表明,此方法可以很好地应用在垂直起降无人机的姿态解算上.
关键词：飞行器控制；坐式垂直起降无人机；姿态测量；四元数；欧拉角；万向节死锁
中图分类号：V249.1文献标志码：A
Design of attitude solution algorithm for tailsitter VTOL U
LIU Donghui1, XI Lele1, NIU Mengran1, SUN Xiaoyun2, SHI Nan1
（1.School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China； 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang, Hebei 050043, China）
Abstract：The tailsitter Vertical Takeoff and Landing （VTOL） Unmanned Aerial Vehicle（U）, flying in a fixedwing model, overcomes many shortcomings of traditional fixedwing Us, and inherits the advantage of high overall efficiency, which means it has great development potential and very broad application prospects. The attitude of tailsitter VTOL U shows a wide change range in its takeoff and landing stages, and when the attitude sensor changes more than 90 degrees in pitch direction, the Euler angles converted by the Quaternions will he singular points, which means gimbal deadlock appears. From the solution algorithm, this paper provides a method of changing the order of rotation to oid the appearance of singular points. The results show that this method can be well applied to the attitude solution of the VTOL U.
Keywords：aircraft control； tailsitter VTOL U； attitude measuring； quaternion； Euler angle； gimbal deadlock
目前,传统固定翼布局无人机的总体效率很高,但其起飞和降落过程对环境要求特别高,限制了其实际应用[12].坐式垂直起降飞机是一种以垂直姿态,“坐”于地面的垂直起降飞行器,由于无人机不必考虑载员的姿势,故而无人机非常适于采用此种垂直起降方式.它既保持高效率的传统固定翼飞机构型,具有固定翼无人机飞行速度快、航程远、反应灵活等特点,又具有直升机的垂直起降功能,降低起飞降落过程对环境的要求.随着科技的发展,坐式垂直起降无人机受到了人们广泛的关注,在军事、民用等多方面都有非常广阔的发展前景[3].例如,垂直起降无人机可应用在高速巡航、应急运输、冰面爆破、侦察、航拍航测等多种领域.
姿态测量系统及其算法是垂直起降无人机控制系统的核心部分.本文中坐式垂直起降无人机的姿态测量系统采用廉价且稳定性高的MPU6050作为姿态传感器,该传感器具有6个自由度,整合了三轴加速度计和三轴陀螺仪.同时,MPU6050内部集成了可控式的运动处理器DMP,并可通过IIC协议与第三方传感器相连接,比如气压传感器.结合高效的微处理器,大大增加系统的稳定性和精确性,同时保持了极低的硬件成本[46].
但是,坐式垂直起降无人机在垂直水平姿态转换过程中,俯仰方向会发生达到甚至超过90°的变化,MPU6050的其他2个轴的角度解算值会发生突变,使得坐式垂直起降无人机失去惯性基准,很容易导致飞机失控坠毁.针对这个关键问题,本文提出一种合理的姿态角测量解算方式,提供稳定、准确的惯性基准[78].
1姿态解算问题
万向节死锁（Gimbal Lock）一般又被称为万向节锁或者万向锁,是指当3个万向节中的2个轴发生重合时,会失去一个自由度的现象.在飞行器姿态运动学方程中一般有四元数和欧拉角2种表示方式,也是最常用的2种姿态表示方法.用欧拉角表示的飞行器姿态运动学方程在大角度时会出现奇异点并进入所谓的“万向节死锁”状态.而采用四元数来表示,则可以避免这个问题.因此,飞行器运动学方程常采用四元数来表示[911].但是欧拉角表示姿态角比起四元数更加形象、直观,具有明确的几何意义,更易于被人理解.本文采用四元数的方法进行姿态解算,然后将四元数转换为欧拉角.在转换过程中,转换结果和旋转顺序存在必然顺序关系.在表示某一个姿态的过程中,四元数是唯一的,但是不同的旋转顺序会得到不同的欧拉角.所以针对不同的旋转顺序,四元数和欧拉角之间存在一对多的情况[1213].本系统采用的坐式垂直起降无人机和传感器安装示意图如图1中的图1 a）和图1 b）所示.
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参考文献：
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