一、开篇

还是没能进入到源码部分研究，对姿态解算过程太过于模糊，所以主要开始研究一下关于姿态解算的过程和实现，本篇博文主要是以mahony的算法为基础理解姿态解算的过程，主要参考的论文就是William Premerlani and Paul Bizard的关于DCM的一篇经典论文《Direction Cosine Matrix IMU_Theory》，一定要搞透这篇论文，没看过它都不敢称自己研究过飞控算法；然后接下来还有madgwick和mahony的论文需要研究，看英文的比较费时间，但是还是得慢慢的啃啊~~~

然后就是结合国内的一本很不错的书籍《捷联惯性导航技术》，不需要细看，只需要了解其中关于姿态解算部分的即可。国内的课本嘛，大家都懂的，恨不得手把手的教你了。国外的论文就不一样了，继续啃吧。

三、实验平台

Software Version：ArduCopter（Ver_3.3）

Hardware Version：pixhawk

IDE：eclipse Juno （Windows）

四、基本知识

1、 陀螺仪和加速计（特性分析）

1）陀螺仪

Gyro sensitivity、 operating range、offset、drift、calibrationandsaturation must be taken into account in the implementation of DCM。

灵敏度

测量角速度，具有高动态特性，它是一个间接测量角度的器件其中一个关键参数就是gyro sensitivity（其单位是millivolts per degree persecond，把转速转换到电压值），测量范围越小气灵敏度越好。也就是说测量的是角度的导数，即角速度，要将角速度对时间积分才能得到角度。陀螺仪就是内部有一个陀螺，它的轴由于陀螺效应始终与初始方向平行，这样就可以通过与初始方向的偏差计算出旋转方向和角度。

偏移

偏移就是在陀螺没有转动的时候却又输出，这个输出量的大小和供电电压以及温度有关，该偏移可以在陀螺仪上电时通过一小段时间的测量来修正。

漂移
        它是由于在时间的积累下偏移和噪声相互影响的结果，例如有一个偏置（offset）0.1dps加在上面，于是测量出来是0.1dps，积分一秒之后，得到的角度是0.1度，1分钟之后是6度，还能忍受，一小时之后是360度，转了一圈，也就是说，陀螺仪在短时间内有很大的参考价值。
白噪声
        电信号的测量中，一定会带有白噪声，陀螺仪数据的测量也不例外。所以获得的陀螺仪数据中也会带有白噪声，而且这种白噪声会随着积分而累加。
积分误差
        对陀螺仪角速度的积分是离散的，长时间的积分会出现漂移的情况。所以要考虑积分误差的问题。

溢出

就是转速超过了其测量的最大转速范围。关于这个问题的解决办法，在DCM IMU:Theory中给出来三种解决办法，不写了。

2）加速度计
         加速度计的低频特性好，可以测量低速的静态加速度。在无人机上就是对重力加速度g的测量和分析。当把加速度计拿在手上随意转动时，看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时，其输出为0。为什么会这样呢？这里涉及到加速度计的设计原理：加速度计测量加速度是通过比力来测量(比力方程，秦永元的书中有介绍)，而不是通过加速度。加速度计仅仅测量的是重力加速度,而重力加速度与刚才所说的R坐标系（EarthFrame）是固连的,通过这种关系,可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系。

加速度计仅仅测量的是重力加速度，3轴加速度计输出重力加速度在加速度计所在机体坐标系3个轴上的分量大小。重力加速度的方向和大小是固定的。通过这种关系，可以得到加速度计所在平面与地面的角度关系。加速度计若是绕着重力加速度的轴转动，则测量值不会改变，也就是说加速度计无法感知这种水平旋转。

有关陀螺仪和加速度计和关系，姿态解算融合的原理，再把下面这个比喻放到这里一遍。
        机体好似一条船，姿态就是航向（船头的方位），重力是灯塔，陀螺（角速度积分）是舵手，加速度计是瞭望手。舵手负责估计和把稳航向，他相信自己，本来船向北开的，就一定会一直往北开，觉得转了90度弯，那就会往东开。当然如果舵手很牛逼，也许能估计很准确，维持很长时间。不过只信任舵手，肯定会迷路，所以一般都有瞭望手来观察误差。
        瞭望手根据地图灯塔方位和船的当前航向，算出灯塔理论上应该在船的X方位。然而看到实际灯塔在船的Y方位，那肯定船的当前航向有偏差了，偏差就是ERR=X-Y。舵手收到瞭望手给的ERR报告，觉得可靠，那就听个90%ERR，觉得天气不好、地图误差大，那就听个10%ERR，根据这个来纠正估算航向。

3）磁传感器

可以测量磁场，在没有其他磁场的情况下，仅仅测量的是地球的磁场，而地磁也是和R坐标系固连的，通过这种关系，可以得到平面A和地平面的关系。(平面A：和磁场方向垂直的平面)，同样的，若是沿着磁场方向的轴旋转，测量值不会改变，无法感知这种旋转。

综合考虑，加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器，都只能得到2维的角度关系，但是测量值随时间的变化相对较小，结合加速度计和磁传感器可以得到3维的角度关系。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系，动态性能好，受外部干扰小，但测量值随时间变化比较大。可以看出，它们优缺点互补，结合起来才能有好的效果。

4）关于数据融合

现在有了三个传感器，都能在一定程度上测量角度关系，但是究竟相信谁？根据刚才的分析，应该是在短时间内更加相信陀螺仪，隔三差五的问问加速度计和磁传感器，角度飘了多少了？有一点必须非常明确，陀螺仪才是主角，加速度计和磁传感器仅仅是跑龙套的。其实加速度计无法对航向角进行修正，修正航向角需要磁力计。

参考crazypony的分析：http://www.crazepony.com/wiki/mpu6050.html和《DCM IMU:Theory》

五、正文

1、首先就是基于mahony算法的AHRS姿态解算的一套源码，理论基础是DCM IMU:Theory，很有参考价值。先自己分析一下，看看每一行具体是做什么的，是如何实现姿态解算和修正的。然后会给出相应的分析

2、上述算法的源码分析
        先给一个简要的代码注释分析。

3、在深入一点

1）无人机控制中，主要就是姿态解算和姿态控制部分，该部分主要介绍姿态解算，下面是来一张比较好理解的框图。

由上面两幅图很容易理解整个控制和姿态解算了吧，在第四部分也介绍了关于陀螺仪、加速计、磁力计它们的作用，所以不再单独介绍了。不理解的往上翻翻再看看吧。

2）在姿态解算过程中，到底用什么表示无人机的姿态呢？姿态表示的方法有很多种，比如欧拉角、四元数、DCM，各有的各的优势，比较常用的就是四元数，方便计算。上面的姿态解算算法也是基于四元数的。下面介绍一个它们三个的优缺点。

姿态解算方法的比较：

3）废话不多说，进入正题。上述算法主要就是利用加速度计和磁力计修正陀螺仪的误差，算法是使用了PI反馈控制器实现反馈修正的。如下图：

首先，东北天坐标系是n系（地理坐标系，参考坐标系），载体坐标系是b系，就是我们飞行器的坐标系。对于四元数法的姿态解算，需要求取的就是四元数的值；方向余弦矩阵（用于表示n系和b系的相对关系）中的元素本来应该是三角函数，这里由于使用四元数法，所以矩阵中的元素就成了四元数。所以姿态解算的任务就是求解由四元数构成的方向余弦矩阵nCb（nCb表示从b系到n的转换矩阵，同理，bCn表示从n系到b的转换矩阵，它们的关系是转置）。

显然，上述矩阵是有误差存在的。对于一个确定的向量n，用不同的坐标系表示时，他们所表示的大小和方向一定是相同的。但是由于这两个坐标系的转换矩阵存在误差，那么当一个向量经过这么一个有误差存在的旋转矩阵变换后，在另一个坐标系中肯定和理论值是有偏差的，我们通过这个偏差来修正这个旋转矩阵。这个旋转矩阵的元素是四元数，这就是说修正的就是四元数，于是乎姿态就这样被修正了，这才是姿态解算的原理。姿态解算求的是四元数，是通过修正旋转矩阵中的四元数来达到姿态解算的目的，而不要以为通过加速度计和地磁计来修正姿态，加速度计和地磁计只是测量工具和载体，通过这两个器件表征旋转矩阵的误差存在，然后通过算法修正误差，修正四元数，修正姿态。

加速度计修正pitch_roll

加速度计可以修正pitch_roll，但是我们必须要考虑离心加速度（centrifugalacceleration），离心加速度就等于旋转率向量（即gyro vector）和速度向量的叉积（没有原因，平均得来的并且还相当准确，速度可以用GPS获取）。我们假设飞机方向和X轴平行。

在机体上测得的重力的为：

Pitch_roll的旋转修正向量是由DCM的Z行与归一化以后的重力参考向量的叉积。

在n系中，加速度计输出为，经过bCn（用四元数表示的转换矩阵）转换之后到b系中的值为；在b系中，加速度计的测量值为，现在和均表示在b系中的竖直向下的向量，由此，我们来做向量积（叉积），得到误差，利用这个误差来修正bCn矩阵，于是四元数就在这样一个过程中被修正了。但是，由于加速度计无法感知z轴上的旋转运动，所以还需要用地磁计来进一步补偿。

PS：公式不好加，只能直接切图了~~~

加速度计在静止时测量的是重力加速度，是有大小和方向的；同理，地磁计同样测量的是地球磁场的大小和方向，只不过这个方向不再是竖直向下，而是与x轴（或者y轴）呈一个角度，与z轴呈一个角度。记作，假设x轴对准北边，所以by=0，即。倘若知道bx和bz的精确值，那么就可以采用和加速度计一样的修正方法来修正。只不过在加速度计中，在n系中的参考向量是，变成了地磁计的。如果我们知道bx和bz的精确值，那么就可以摆脱掉加速度计的补偿，直接用地磁计和陀螺仪进行姿态解算，但是你看过谁只用陀螺仪和地磁计进行姿态解算吗？没有，因为没人会去测量当地的地磁场相对于东北天坐标的夹角，也就是bx和bz（插曲：关于这个bx和bz的理解：可以对比重力加速度的理解，就像vx vy vz似的，因为在每一处的归一化以后的重力加速度都是0 0 1然后旋转到机体坐标系，而地球每一处的地磁大小都不一样的，不能像重力加速度那样直接旋转得到了，只能用磁力计测量到的数据去强制拟合。）。那么现在怎么办？前面已经讲了，姿态解算就是求解旋转矩阵，这个矩阵的作用就是将b系和n正确的转化直到重合。现在我们假设nCb旋转矩阵是经过加速度计校正后的矩阵，当某个确定的向量（b系中）经过这个矩阵旋转之后（到n系），这两个坐标系在XOY平面上重合（参考DCM IMU:Theory的Drift cancellation部分），只是在z轴旋转上会存在一个偏航角的误差。下图表示的是经过nCb旋转之后的b系和n系的相对关系。可以明显发现加速度计可以把b系通过四元数法从任意角度拉到与n系水平的位置上，此时只剩下一个偏航角误差。这也是为什么加速度计无法修正偏航的原因。

为什么在word中使用公式编译器编辑的公式没办法复制到CSDN中呢？？？？？？？？？？？？

此方式在数学上没有任何问题，但是由于地磁传感器极易受到各种干扰，而此算法又将地磁传感器所指示的方向过度的融入到了姿态当中，导致实际使用中数据会非常不稳定。怪不得crazypony的算法中没有使用磁力计修正YAW，这应该就是原因所在吧。

六、来一点ardupilot源码分析

就理解了一个通过gyro_vector更新DCM的算法，这个应该是在renormalization直接就需要了解，可以前期没理解到底是干嘛的，现在补上；关于renormalization的算法可以参考上一篇博文。

姿态解算过程中不仅需要修正陀螺仪的各种errors，还需要实时的更新的DCM。上周一直没能理解的一个问题，在AP_AHRS_DCM.cpp中的matrix_update(delta_t)，就是实时更新DCM矩阵的，源码如下，这一部分研究了很久，需要的基础知识比较多。先上源码

首先就是通过陀螺仪获取两次gyro_vector，然后取平均以降低误差；然后就是比较专业的算法实现_dcm_matrix.rotate((_omega +_omega_P + _omega_yaw_P) * _G_Dt)了。进入到matrix3.cpp中有rotate()函数，该函数就是实现DCM更新的算法实现，算法主要是用陀螺仪的输出值与DCM矩阵的乘积再加回到DCM中去，处理过程中使用了离散化的概念，即dcm（k+1）=dcm（k）+增量，因为公式里有求导，必须离散化后才能计算机处理，感谢青龙的指导。

公式太多，没办法还是上图吧~~~