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    摘要近年来，无论是在国防技术领域还是民事商业应用领域，无人机都受到广泛的关注。随着技术的发展，无人机逐渐轻量化、微型化，四旋翼飞行器就是其中一种出色代表。由于四旋翼飞行器其结构简单，功耗低，噪音小，成为了人们的重点研究对象。 本文参考了目前的惯性技术，对四旋翼飞行器的姿态测量过程进行建模，通过建立的模型，基于微机电惯性元件和磁强计数据融合建立了捷联姿态测量系统。为了使姿态角的测量更准确，本毕业论文研究了几种卡尔曼滤波算法，将它们应用到姿态角的测量中去，并对算法进行仿真分析。最后引入了互补滤波算法，利用互补滤波原理改进传统的卡尔曼滤波算法，并进行了相应的仿真分析。19369
    关键词  四旋翼飞行器  卡尔曼滤波  姿态角估计  互补滤波器
    毕业设计说明书（论文）外文摘要
    Title  A Research on Quadrotor Attitude Estimation Algorithm                 
    Abstract
    Recently, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have received remarkable attentions in both military and civilian territories. As the improvement of technology, the UAVs are more and more miniature and intellectualized, one of the representations is the quadrotor. Quadrotor is a strongly coupled nonlinear system; hence, the accuracy of its control is directly interfered by the accuracy of its attitude estimation. By referring the existed inertial navigation technology, a model of the attitude estimation process of a quadrotor is built. According to the model, a strapdown attitude estimation system based on fusing data of inertial sensors and a magnetometer is constructed. In order to improve the accuracy of the estimation, the kalman filter, the extended kalman filter and the unscented kalman filter are widely implemented on the attitude estimation. Therefore, a detailed analysis of the three types of Kalman filtering algorithms is done, including the stimulation comparisons. Finally, an improved complementary filter is designed. The stimulation result manifests that the new algorithm can estimate gyro drift online, which can realize more precise attitude estimation.
    Keywords  Quadrotor  Attitude estimation  Kalman filter   Complementary filter
    目   录
    1  绪论    1
    1.1 课题研究背景及其意义    1
    1.2  目前的研究现状    2
    1.3  本论文的主要内容安排    4
    2  建立姿态测量模型    5
    2.1  四旋翼飞行器动力学原理    5
    2.2  捷联惯性导航系统    6
    2.3  坐标系变换及姿态矩阵    9
    2.4  姿态更新算法    11
    2.5  组合捷联测量系统    13
    3  姿态滤波算法简介    15
    3.1  传感器输出信号误差    15
    3.2  卡尔曼滤波    16
    3.3  扩展卡尔曼滤波    20
    3.4  无迹卡尔曼滤波    21
    3.5  Matlab环境中各滤波算法仿真及比较    23
    4  互补滤波算法    31
    4.1  互补滤波简介    31
    4.2  互补滤波器的设计    31
    4.3  基于互补滤波原理改进的卡尔曼滤波器    32
    4.4  基于改进的卡尔曼滤波的MATLAB仿真    34
    结 论    37
    致 谢    38
    参 考 文 献    39
    1  绪论
    1.1  课题研究背景及其意义
    近年来，无论是在国防技术领域还是民事商业应用领域，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）都受到广泛的关注。由于人们对微机电系统（Micro-Electro Mechanical System，MEMS）和微惯导系统的深入研究，使得无人机逐渐实现了轻量化、微型化。现代控制理论的发展使其控制精度也在明显地提高。无人机可以分为固定翼和旋翼两种。固定翼式无人机具有航程远、速度快等诸多优点，主要担任现代战争中远距离攻击、遥感侦察、高空电子对抗等任务。与固定翼式飞机相比，旋翼式无人机可垂直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞，具有更好的机动性和隐蔽性[1]。因此在城市巷战、灾区救援等空间狭小、条件复杂的场合中旋翼式无人机都比固定翼式无人机具有更好的应用前景。在旋翼式飞行器的研究中，四旋翼飞行器由于其结构简单，功耗低，噪音小，成为了人们的重点研究对象。
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