近年来,无人机在民用得到越来越广泛的应用。特别是垂直起降无人机可广泛应用于地理测绘,地质勘探,森林保护,输货物运,本文以民用垂直起降无人机为背景,设计分数阶卡尔曼滤波器用于飞行姿态测量系统。本文论述了课题的研究背景及研究意义,简单介绍了飞行器姿态解算算法的研究现状、分数阶卡尔曼滤波器的发展过程及惯性导航系统及姿态解算的理论基础,其中包括:惯性导航系统的特点及分类、常用坐标系定义、姿态角定义、姿态信息的三种表示方法及三种方法的相互关系、三种姿态解算方法的特点等。简要分析了无人机姿态测量系统,具体介绍了陀螺仪、加速度计、磁强计的工作原理,根据前面的介绍,本文提出以STM32F103ZET6单片机为主控芯片,MPU6050芯片与HMC5883L芯片为姿态测量传感器,设计硬件电路及系统软件框架,给出了微处理器、姿态传感器、通信协议、电源模块的设计原理及电路原理图。通过理解传统的离散卡尔曼滤波器和分数阶微积分理论,将Grunwald-Letnikov微分定义引入整数阶系统中,基于差分思想将整数阶系统推广到分数阶系统,结合卡尔曼滤波器与分数阶系统将整数阶卡尔曼滤波器扩展到分数阶卡尔曼滤波器,通过仿真对比证实分数阶卡尔曼滤波器有很好的滤波效果,根据建立的系统状态方程与观测方程设计分数阶卡尔曼滤波算法,对三轴陀螺仪、加速度计和磁强计采集的姿态数据进行融合,得到更为准确的姿态信息。根据设计的算法,在硬件系统上进行姿态解算验证,通过第三方上位机软件显示姿态角的变化。实验分为两部分:(1)通过动态检测姿态角度,对比滤波前后输出的姿态角度波形;(2)通过静态预设角度,与成品姿态测量系统输出的姿态角度值进行对比。实验结果表明,该系统可以长时间输出比较稳定的姿态数据。