论文总字数：19985字

摘 要

四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的具有特殊结构的旋转翼无人飞行器，并且它在军事领域和民用领域都显示出了极高的研究和应用价值。

四旋翼飞行器的飞行及控制依赖飞行器上的电子陀螺仪姿态信息，故对电子陀螺仪姿态信息的正确解算是完成该项目的关键。本论文通过对电子陀螺仪信号解析算法的研究，软件实现算法解析功能，致力于尽可能准确的捕捉到飞行器的实时位移信息以实现对四旋翼飞行器的动态控制。

本文通过TMS320F28335 DSP开发板的IIC接口获取电子陀螺仪MPU6050模块的姿态信息，在CCS的环境下进行软件编程，使用四元数法与卡尔曼滤波相结合解算出了飞行器实时的俯仰角、偏航角、横滚角，并最终实现较好的控制结果。

关键字：DSP28335 MPU6050模块 IIC接口 姿态解算

Algorithm and displacement signal analysis of electronic gyroscope

Abstract

Four rotor aircraft is an unmanned rotorcraft aerial vehicles with vertical takeoff and landing capability and has important research and application value on civil and military fields.

The command and control of four rotor aircraft depend on the information of electronic gyroscope. For this reason, the key technology of our project is to resolve the information of flight attitude from electronic gyroscope. This paper proposed a analytical algorithm for the signal of electronic gyroscope to dynamically control four rotor aircraft as accurately as possible with real-time system capturing the position change of the flight.

This paper use IIC bus of TMS320F28335 DSP circuit board to obtain attitude information from the module MPU6050 of electronic gyroscope. Under the CCS software entertainment, the real-time changes of pitch, yaw and roll angles are calculated by quaternion and Kalman filtering, realizing good control effect of four rotor aircraft.

Keywords: DSP28335 ;MPU6050 ;IIC bus ;Attitude analysis

目录

摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 四旋翼飞行器的研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本课题的研究内容

1.3.1电子陀螺仪算法分析及位移信号解析

1.4相关软硬件介绍

1.4.1 TMS320F28335开发板简介

1.4.2 CCS软件简介与使用说明

第二章 电子陀螺仪位移信号的采集

2.1电子陀螺仪的发展与应用

2.2 电子陀螺仪工作原理

2.3 MPU6050模块的硬件组成

2.3.1 3轴陀螺仪和3轴加速度计

2.3.2 3轴平台简介

2.4 IIC通信协议原理

2.4.1 IIC协议简介

2.4.2 IIC传输过程

2.4.3 IIC协议的数据传输

2.5 IIC通信在程序中的实现

2.5.1 初始化MPU6050

2.5.2 IIC核心程序（读/写）

第三章 电子陀螺仪位移信号解析

3.1 四元数姿态解算原理

3.1.1 四元数的定义

3.1.2 四元数与姿态角间的关系

3.1.3 四元数微分及Runge-Kutta求

3.2 数据结果分析

第四章 总结与期望

4.1 总结

4.2 期望姿态数据最大程度的精确

参考文献

致谢 32

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

近年来，四旋翼飞行器受到了越来越多的电子发烧友的追捧。但是就是这样一个小小的飞行器恰恰对飞行控制的要求还是十分高的，本次课题就是对飞行器上的电子陀螺仪姿态信息的正确提取来实现对飞行器的控制。对四旋翼飞行器的研究是十分有意义的，并且它在军事领域和民用领域都突显出了很高的研究和实用价值。四旋翼飞机是一种能够垂直起降的具有特殊结构的旋转翼无人飞行器，它可以用在近地侦查、灾害现场监控、森林防灾、环境保护、国土资源勘察等方面，在民用军用领域实现产业化起着不可忽视的作用^[1]。

四旋翼飞行器在原理是协调旋翼电机的转速来控制机体，它滞空能力强，无论是静态飞行还是低速飞行，都表现出良好的性能，并且可实现各种飞行姿态（比如：上升、下降、垂直悬停、俯仰运动、滚转运动、偏航转向等等）之间的切换，且飞行器姿态保持能力较高^[4]。但是它作为一个多种输入多种输出的控制系统，由于空气动力的复杂性，受到外部干扰的不确定性，这些使得对它的控制难度加大，也正是由于旋翼飞行器的控制比固定翼要更难把握，旋翼飞行器的发展较固定翼飞行器要缓慢很多^[2]。但随着微电子机械系统（MEMS）的蓬勃兴起，四旋翼飞行器的研究也更深更广，其涉及到的高尖端技术包括通信技术、信号处理技术、姿态解算技术等等。尤其是在飞行器的控制部分，在面对控制需求非常精准的飞行器上，需要的是精准的姿态角度，然后配合无限传输模块，从而实时控制电机速度调整。在这样的大环境下，飞行器上需要装载先进的电子陀螺仪模块，模块上的传感器敏锐的捕捉飞行器的运动情况，传感器将收集到的信息通过固定协议传输到处理器上，特别在飞行器的飞行控制模块，需要在飞行器上搭载先进的电子陀螺仪模块。传感器通过固定的协议将采集到的姿态信息传输到控制器上，我们就可以对采集到的原始数据做数字信号处理来解析出具体的角度信息。

1.2 四旋翼飞行器的研究现状

1.2.1国外研究现状

伴随着先进控制理论的蓬勃发展，现在对四旋翼飞行器的研究达到了一个新的热潮。世界上很多高校都开设了对四旋翼飞行器的研究课题，研究的重点放在姿态控制上。目前已经能够实现固定平台自主起飞、自主悬停、碰壁转航等智能化飞行，美国的大学研究小组在这方面的成果可以说是最成功的。

按照现今飞行器在国际发展趋势，四旋翼飞行器将逐渐向微小型发展，系统中驱动板的集成度更高。在功能方面，它将填补国际上在侦察上的空白，它能配合军事部门进行军事侦察，在生活中的作用也很多，美国很多农场都配备无人机来喷洒农药，每小时可喷洒50公顷左右的农药，是人工喷洒效率的30倍以上。但想要四旋翼飞行器真正普及到大众实用化，还需要我们这代人来共同努力，不断在技术上进行攻关。

1.2.2国内研究现状

我国对四旋翼飞行器研究的起步落后于欧美，但如今在国内很多高校举行的电子设计大赛上都能见到四旋翼飞行器的身影。我国在无人机这方面研究表现比较突出的高校有清华、浙大、上海交大等。迄今为止，动力学模型已基本完善，控制算法在建立的基础上开始仿真。四旋翼飞行器技术上依靠自身旋翼的升力起飞，机身是用铝制的材料做成两个等长的空心竿，将它们正交安装，在以前的机型基础上，主要考虑四个螺旋桨的空气动力，还有陀螺仪的漂移问题等做了改进，并在实际测量中获得了大量精确地参数。此模型的分析结果显示，这个系统有严格反馈的优点，并且具有渐进的稳定性。国内的无人机研发和生产商著名的有总部位于深圳的大疆无人机，该公司于今年最新推出一款名为大疆精灵Phantom4的无人飞行器。此款飞行器拥有自己的“视力”与“智力”，完全能在不同的环境下，满足消费者不同的飞行需求，最高飞行速度达20m/s，飞行时间可达28分钟，同时航拍能力也相当出色，能在5公里内航拍出720p的高清画质，但官方售价达1000美元，价格方面显然超出了一般航拍爱好者承受范围。大疆精灵Phantom4的无人机如图1.1所示：

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