17、多旋翼飞行器姿态控制技术解析与实验探究

多旋翼飞行器姿态控制技术解析与实验探究

1. 滤波技术在姿态估计中的应用

在多旋翼飞行器的姿态估计中，准确获取姿态角至关重要。为了实现这一目标，我们采用了互补滤波器和卡尔曼滤波器等技术。

互补滤波器通过融合陀螺仪和加速度计的数据来估计姿态角。它相当于陀螺仪的高通滤波器和加速度计的低通滤波器，能够有效消除测量噪声，提高姿态估计的准确性。互补滤波器中，陀螺仪和加速度计的贡献由参数 τ 控制。当 τ 值较高时，陀螺仪起主要作用；当 τ 值较小时，加速度计的贡献更大。

卡尔曼滤波器则包括过程模型和测量模型。实验结果表明，卡尔曼滤波器的性能优于互补滤波器，并且与 Pixhawk 自动驾驶仪的 PX4 软件中的自包含滤波器相似。

2. 姿态控制基础

姿态控制是多旋翼飞行器实现平稳飞行的关键，也是位置控制的基础。在飞行控制器设计中，多采用连续回路闭合方法，外回路控制器为内回路控制器提供指令，水平位置通道控制器的输出为姿态控制系统提供参考值。

姿态控制的目标是使姿态误差在时间趋于无穷时趋近于零。目前，常用的刚体姿态表示方法有欧拉角和旋转矩阵两种，它们各有优缺点，具体如下表所示：
| 姿态表示方法 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — |
| 欧拉角 | 无冗余参数，物理意义清晰 | 俯仰角为 90° 时存在奇点问题，大量超越函数运算，可能出现万向节锁 |
| 旋转矩阵 | 无奇点问题，无超越函数运算，适用于连续旋转，全局唯一，易于插值 | 有六个冗余参数 |

针对这两种姿态表示方法，我们设计了相应的姿态跟踪控制器。对于欧拉角，在假设所有角度都较小时，设计了 PID