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姿态解算也叫做姿态分析,姿态估计,姿态融合。姿态解算是根据IMU(惯性测量单元)数据(陀螺仪、加速度计、罗盘等)求解出飞行器的空中姿态,所以也叫做IMU数据融合。
导航坐标系:在多旋翼中,又叫地球坐标系、地理坐标系。通常,采用北东地(NED)构成坐标系的 X,Y,Z轴。
机体坐标系:固联在多旋翼飞行器上,坐标系原点定位于飞行器中心点(假设中心点与重心点重合),X轴指向机头方向,Y轴指向机头的右方,Z轴垂直于X,Y轴构成平面垂直向下,这个可以用“右手定则”确定坐标轴的正方向。
姿态通俗的说就是指我们站在地面上观察飞行器的俯仰(pitch)/横滚(roll)/航向(yaw)状态。飞行器需要实时知道当前自己的姿态,才能够根据需要操控其接下来的动作,例如保持平稳,翻滚。
数学模型:姿态是用来描述一个刚体的固连坐标系和参考坐标系之间的角位置关系(姿态角)﹐有一些数学表示方法。很常见的就是欧拉角,四元数,矩阵,轴角。
飞行器姿态描述套用上面的数学模型,参考坐标系就对应着导航坐标系是固定不变的。我们通常用坐标系R表示。固连坐标系就对应着机体坐标系,用坐标系r表示。那么我们就可以用欧拉角,四元数等数学方法来描述r与R的角位置关系。这就是飞行器姿态解算的数学模型。
姿态有多种数学表示方式,常见的是四元数,欧拉角,方向余弦矩阵。他们各自有其自身的优点,在不同的领域使用不同的表示方式。在四轴飞行器中通常使用的是四元数、欧拉角和方向余弦矩阵。
飞机姿态角是按欧拉概念定义的,故亦称欧拉角。飞机姿态角是由机体坐标系与地理坐标系之间的关系确定的,用航向角、俯仰角和横滚角三个欧拉角表示。不同的转动顺序会形成不同的坐标变换矩阵,通常按航向角、俯仰角和横滚角的顺序来表示机体坐标系相对地理坐标系的空间转动。
欧拉角表示:
莱昂哈德·欧拉用欧拉角来描述刚体在三维欧几里得空间的取向。对于在三维空间里的一个参考系,任何坐标系的取向,都可以用三个欧拉角来表现。参考系又称为实验室参考系,是静止不动的。而坐标系则固联于刚体,随着刚体的旋转而旋转。如下图的左数第一个图a 、β、y就是欧拉角。后面紧跟的三个图演示了欧拉角是如何产生的,分别对应哪个角度。
四元数表示:
四元数是由爱尔兰数学家威廉·卢云·哈密顿在1843年发现的数学概念。从明确的角度而言,四元数是复数的不可交换延伸。如把四元数的集合考虑成多维实数空间的话,四元数就代表着一个四维空间,相对于复数为二维空间。
姿态解算目的获取飞行器机体坐标系在地球坐标系中的姿态角(也就是欧拉角)。
姿态解算目的获取飞行器机体坐标系在地球坐标系中的姿态角(也就是欧拉角),但是欧拉角不是直接测量的而是通过IMU(惯性测量单元)数据(陀螺仪、加速度计、罗盘等)通过Mahony互补滤波算法解算出姿态角,所以姿态解算的基础就是 IMU数据。
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