无人机姿态解算：欧拉角 vs 四元数

无人机姿态解算：欧拉角 vs 四元数

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CSDN

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来源

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https://blog.csdn.net/keaishamao/article/details/138213987

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https://blog.csdn.net/weixin_45434574/article/details/136478577

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https://cloud.baidu.com/article/3101628

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https://blog.csdn.net/qq_42608848/article/details/140190450

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https://blog.csdn.net/sinat_23338865/article/details/53885906

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https://wenku.csdn.net/column/1so5w8xei0

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https://glooow1024.github.io/2024/04/16/rotation/

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http://www.yxfzedu.com/article/10387

在无人机飞行控制中，准确的姿态解算至关重要。它决定了无人机能否稳定悬停、精准避障以及执行各种复杂动作。目前，无人机姿态解算主要采用两种方法：欧拉角和四元数。这两种方法各有优劣，本文将深入探讨它们的原理、特点及实际应用。

欧拉角通过三个旋转角度来描述物体的姿态：俯仰角（Pitch）、滚转角（Roll）和偏航角（Yaw）。这种表示方法直观易懂，与人类对空间旋转的直观理解相吻合。

然而，欧拉角存在一个致命缺陷：万向锁问题。当俯仰角达到±90度时，偏航角和滚转角会发生耦合，导致姿态解算失效。这种现象在无人机飞行中可能引发严重后果，例如在执行大角度机动动作时失去姿态控制。

为了解决欧拉角的局限性，四元数应运而生。四元数是一种数学表示方法，由一个实部和三个虚部组成，可以看作是四维空间中的一个向量。它通过旋转轴和旋转角度来描述物体的旋转状态，避免了万向锁问题。

四元数的另一个优势是计算稳定性好。在长时间运行中，四元数的姿态解算结果不会出现累积误差，而欧拉角则容易产生这种问题。此外，四元数的计算效率更高，更适合实时性要求严格的无人机控制系统。

在实际应用中，四元数已成为无人机姿态解算的主流选择。以MPU6050为代表的现代惯性测量单元（IMU）传感器，内部直接使用四元数进行姿态解算，再转换为欧拉角输出。这种设计充分利用了四元数的计算优势，同时保持了欧拉角的直观性。

对于开发者而言，选择哪种方法取决于具体应用场景：

• 如果只需要简单姿态表示，且不会出现大角度旋转，可以使用欧拉角
• 对于高性能、高可靠性的无人机系统，尤其是需要执行复杂机动动作的场景，应优先选择四元数

虽然欧拉角因其直观性在某些场景下仍有应用价值，但四元数凭借其数学优势，已成为无人机姿态解算的主流选择。随着无人机技术的不断发展，对姿态解算精度和稳定性的要求将越来越高，四元数的重要性也将日益凸显。