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《安徽理工大学》 2017年
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基于STM32单片机的四旋翼无人机姿态的数据采集研究

李志广  
【摘要】:本文以工程应用为出发点,总结了国内外四旋翼微型无人机在数据采集和姿态解算系统的研究现状,结合成本低、精度高、可靠性高的项目要求提出了无人机数据采集与姿态解算系统的设计方案。首先,通过实验的方法详细的分析和测定了 MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS磁强计和MEMS气压计等传感器的误差来源,传感器的误差来源主要分为两部分:一部分来自于传感器设计、制造、安装等过程误差;一部分来自于传感器之间的干扰、振动、空中电磁干扰等误差,然后结合传感器数据手册和无人机实际飞行情况建立传感器的误差模型,最后通过建立的误差模型对各个传感器进行标定以及应用初步滤波的方法设计能够提高数据采集精度的系统,继而为提高姿态解算算法的精度奠定基础。其次,对无人机的姿态解算算法进行了研究。通过基于四元数的捷联式惯性导航系统能够得出无人机的速度、位置、以及姿态等信息,姿态解算算法的精度是准确获取无人机姿态信息的关键技术,同时,滤波处理是解决无人机姿态解算算法误差问题的主要手段,选用合理的滤波方法是研究的核心内容。本文依次对无人机启动未飞行时进行卡尔曼滤波、无人机飞行状态进行扩展卡尔曼滤波、全姿态飞行时进行互补滤波,通过仿真分析可知三种滤波方式都满足陀螺仪误差±1°的精度要求,但是卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波工程实现较难,设计成本较高,而互补滤波设计设计简单易实现,因此采用互补滤波器进行姿态解算。然后,设计了无人机数据采集与姿态解算的软硬件系统。本文以STM32F405单片机为控制核心,结合传感器的电气特性设计了信号处理电路以及PCB板,基于项目对系统的性能要求,设计了 20ms的定时器中断来完成数据采集与姿态解算任务的程序。最后,通过对静止、启动未飞行与悬停、匀速飞行以及自由飞行等状态进行各个传感器与姿态的数据采集进行分析,得出本文所设计的数据采集与姿态解算系统满足成本低、精度高、可靠性高的要求。
【学位授予单位】:安徽理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V279;V241

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