基于多旋翼無人機(jī)的GPS模塊研究

張杰 劉洋 楊曉宇

摘要：本文基于新型STM32F4系列為核心，所述ARM STM32F405R被用作芯微控制器開發(fā)和設(shè)計所述多旋翼UAV GPS模塊的硬件平臺。硬件平臺集成的最低系統(tǒng)電路，串行通信電路，網(wǎng)線接口電路，傳感器電路和電源電路。傳感器電路包括傳感器電路。磁航向傳感器電路，GPS電路。它由一個高精度的GPS接收模塊和無線通信模塊的。無線通信模塊是負(fù)責(zé)與雄蜂通信。之后，無人機(jī)可以飛行穩(wěn)定和接收地面目標(biāo)的GPS坐標(biāo)，根據(jù)基于GPS的無人機(jī)導(dǎo)航設(shè)計，可以使得無人機(jī)能夠朝著目標(biāo)GPS位置飛行。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī);GPS;導(dǎo)航系統(tǒng)

一、無人機(jī)簡介

UAV（unmanned aerial vehicle）即無人機(jī)。無人機(jī)是無人駕駛飛行器的一種泛稱，相對于有人駕駛飛行器而言，無人機(jī)實現(xiàn)了無人控制，在飛行時依飛行器的動力裝置所獲得的升力來抵消飛行器自身的重量，可通過遙控設(shè)備或自主飛行來實現(xiàn)復(fù)雜的空中飛行任務(wù)。在眾多的無人機(jī)類型中，四旋翼飛行器具有出色的性能，相較于固定翼無人機(jī)而言，四旋翼無人機(jī)對于起飛條件的要求更低，可實現(xiàn)垂直起降，其機(jī)械架構(gòu)十分加單，具有負(fù)載能力強(qiáng)，可實現(xiàn)垂直起飛和降落等優(yōu)點。由于四旋翼飛行器在飛行控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝調(diào)試等方面的要求較高，因此當(dāng)前四旋翼飛行器的研究已成為學(xué)術(shù)界專家學(xué)者研究的熱點問題之一。世界上首架真正意義上的無人機(jī)由美國學(xué)者所研發(fā)并試飛成功。在上世紀(jì)中期，隨著自動控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的逐漸發(fā)展，為無人機(jī)的出現(xiàn)和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時，多領(lǐng)域的應(yīng)用需求使其有著無與倫比的發(fā)展優(yōu)勢。無人機(jī)在當(dāng)前生產(chǎn)生活中有著較為廣泛的應(yīng)用：從軍事層面上而言，可利用無人機(jī)完成復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的戰(zhàn)場勘查以及現(xiàn)代反恐作戰(zhàn)之中;從民用層面上而言，無人機(jī)可用于航拍和交通巡邏和救災(zāi)等諸多領(lǐng)域。

二、傳感器和GPS接收機(jī)板

（一）、GPS 傳感器

GPS傳感器是主要負(fù)責(zé)采集緯度和多轉(zhuǎn)子UAV的經(jīng)度信息，并通過GPS由主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并求解多轉(zhuǎn)子UAV 的位置的信息。

（二）、GPS 接收機(jī)板

GPS接收器的主要功能是實現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號的接受，可同時接受4個以上的信號，并自動完成當(dāng)前三維坐標(biāo)和速度的計算。該GPS高度顯示了無人機(jī)控制的高度。當(dāng)GPS接收器板的同時接收多個衛(wèi)星信號，它可確定GPS接收機(jī)的當(dāng)前高度。在飛行控制監(jiān)控，應(yīng)監(jiān)測由GPS接收器和所述信號質(zhì)量接收到的衛(wèi)星信號的數(shù)目。由此可以得出結(jié)論的是，GPS接收器板的功能是負(fù)責(zé)提供飛行穩(wěn)定性控制和與飛機(jī)，當(dāng)前GPS地面速度和GPS的當(dāng)前緯度和經(jīng)度基板的導(dǎo)航。身高，可以由飛機(jī)的當(dāng)前位置接收的GPS衛(wèi)星信號信息和信號質(zhì)量的量。

（三）、GPS 協(xié)議

GPS的定位原理是基于在高速運行衛(wèi)星的瞬時位置，并且要被測量的點的位置由空間距離切除的方法計算。全球定位系統(tǒng)提供全球，全天候，高精度連續(xù)，實時的三維坐標(biāo)。對于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收器，不同的廠商有自己的信息處理格式。下面就對常見的U-BLOX協(xié)議類型進(jìn)行簡單介紹U-Blox 協(xié)議 ：UBX 協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式如圖 2-1所示，數(shù)據(jù)的每個分組包括三個部分：頭部，數(shù)據(jù)部，和校驗部。標(biāo)題的頭兩個字節(jié)是：0xB5執(zhí)行和0X62，通過該兩個字節(jié)可以被用于確定由該分組所使用的協(xié)議是否為UBX;CLASS占一個字節(jié)，表示消息的類別;ID占一個字節(jié)，表示CLASS參數(shù)下的特定參數(shù)的項目的輸出;LENGTH指示由數(shù)據(jù)部分所占用的字節(jié)數(shù);CK-A和CK-B是用來驗證報文的完整性兩個校驗字節(jié)。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是由三個子系統(tǒng)共同組成的，它們分別是：衛(wèi)星星座（空間部分），地面監(jiān)控系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）以及信號接收機(jī)（用戶部分），它們?nèi)咧g的關(guān)系如圖2-2。

（一）、底層驅(qū)動軟件的設(shè)計與開發(fā)

1.系統(tǒng)的啟動過程

系統(tǒng)的啟動過程可分為兩步，分別為內(nèi)部時鐘和外部時鐘的啟動。其中前者是在后者勢能時間超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下使用的。系統(tǒng)復(fù)位之后等待系統(tǒng)時鐘就緒，隨后完成啟動過程并調(diào)用 main（）主函數(shù)。

2.串口驅(qū)動的設(shè)計

串行端口實控制器和外部設(shè)備通信的重要接口。無人機(jī)為實現(xiàn)自動控制需要連接大量的外部設(shè)備，例如電源模塊和無線通信模塊等等，并且所述軟件開發(fā)和調(diào)試進(jìn)程也將被頻繁使用。串口，這樣的串口驅(qū)動程序設(shè)計的重要性是不言而喻的。該STM32F405R有很多的串口資源，所有的串口通信功能較為全面。該STM32F405R本身是相對簡單的設(shè)計，由于強(qiáng)大的串行通訊能力。只要打開時鐘，初始化串口，然后判斷串行端口是否打開。也就是說，無論是串口可以在此時應(yīng)用，串行端口，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所述STM32F405R串行端口的發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)定處理是相同的串行端口接收數(shù)據(jù)的設(shè)定處理，然后將數(shù)據(jù)位的特定長度被配置，并且所述奇偶校驗位被設(shè)置。最后，你可以添加一個驗證的設(shè)計，以確定數(shù)據(jù)是否已發(fā)送或已成功接受。

3.CAN 總線驅(qū)動設(shè)計

對于體型較小的飛行器航行設(shè)備來說，信息的快捷輸送是其一開始就需要具備的本領(lǐng)。CAN總線的串行通信功能強(qiáng)且可靠，所以可以輕易地使信息輸送得速度增加，而且能夠進(jìn)行多主操縱，能夠適應(yīng)傳播速度過大和路程過長的問題，且可以幫助技術(shù)人員對過程中的問題進(jìn)行校正、提醒及修護(hù)。在與總線對接之際，可以避免重復(fù)檢查位置數(shù)據(jù)，而且也能夠完成統(tǒng)承的目標(biāo)。CAN總線通信協(xié)議包含兩部分，其一為數(shù)據(jù)幀;其二為遙控幀，前者包含包含7個字符段構(gòu)成，控制段的主要功能是表示傳輸信號長度、符號位;數(shù)據(jù)段用來告知輸送的數(shù)據(jù)每幀都能夠傳輸9 bit信息;CRC段可以核實每一幀輸送的數(shù)據(jù)會不會有誤，ACK段可以表示被輸送的數(shù)據(jù)有沒有正常存儲。采用CAN總線通信時需要對系統(tǒng)總線進(jìn)行初始化，為總線配置復(fù)位功能，并啟用AN時鐘時，CAN_RX銷需要被用作上拉輸入和CAN_TX銷被用作復(fù)位輸出。其次，要設(shè)置正確的工作模式，通過CAN_MCR的位設(shè)置完成相關(guān)控制位功能的直線。最后執(zhí)CAN_FMR的FINIT位在完成設(shè)置和激活后可實現(xiàn)總線初始化，在完成總線初始化流程之后可執(zhí)行正常的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。CAN總線傳輸首先要按成標(biāo)識符設(shè)置，選擇空郵箱發(fā)送數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)發(fā)送空出郵箱。CAN總線可將接收到的數(shù)據(jù)儲存于郵箱的FIFO中，CAN總線接收報文信息時要設(shè)置郵箱為空，并逐層訪問郵箱，并判斷報文信息是否有效，隨后退出。

4.傳感器驅(qū)動設(shè)計

傳感器是是本文所設(shè)計的四旋翼無人機(jī)的重要組成部分，也是實現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵所在，航空傳感器可完成當(dāng)前無人機(jī)飛行姿態(tài)、位置、速度以及高度等信號的實時采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，隨后單片機(jī)得到當(dāng)前無人機(jī)的位置姿態(tài)，并通過與設(shè)定的姿態(tài)信息進(jìn)行比較，隨后輸出控制參量對無人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定飛行[27]。通過串口連接的GPS模塊可獲取當(dāng)前無人機(jī)的準(zhǔn)確位置。通過IIC總線連接的HMC5983磁航向傳感器可以測量小型無人機(jī)的三個軸。磁航向角。IIC（Inter IC Bus）總線是PHILIPS以同步通信的特殊形式引入的新總線標(biāo)準(zhǔn)，具有接口少、控制方式簡單易行等諸多優(yōu)勢。IIC總線包含兩條不同的通信線路，其一為SDA通信線路;其二為SCL通信線路。

是公司東一的外接設(shè)備接口形式，可支持多種不同的通信功能。包含四條通信線路，其中MISO為數(shù)據(jù)輸入和設(shè)備輸出線路，SCLK為時鐘信號線，CS為片選信號線。

（二）、系統(tǒng)初始化

通信初始化主要是對串口、SPI、IIC 總線的初始化和中斷函數(shù)配置。傳感器初始化主要是對 IO 使能和采樣周期的配置。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-3 所示。飛控系統(tǒng)將單片機(jī)主時鐘設(shè)置成 180MHz，配置 IO 口使能和中斷函數(shù)。使能串口中斷用于 GPS、數(shù)傳電臺通信，分別配置 SPI、IIC 總線時鐘頻率為 10.05MHz 和 100k Hz。

GPS 模塊 GPS 模塊采用串口與主芯片通信，采用 Ublox ?專有的 UBX 協(xié)議讀取 GPS 信息。UBX 協(xié)議采用二進(jìn)制數(shù)輸出減少了傳輸數(shù)據(jù);靈活運用了低開銷的校驗算法;同時采用雙層的消息標(biāo)志位。一個基本的 UBX 包結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。

（2）消息類型位占用一個字節(jié)，定義了消息的基本子集。

（3）消息 ID 位占用一個字節(jié)。

（4）長度位占用 2 字節(jié)，長度位是指有效長度，不包括包頭字節(jié)數(shù)、類型信息、消息ID 和校驗位。長度用 16 位無符號整型表示。

（5）消息數(shù)據(jù)位是根據(jù)消息長度變化，包含需要的 GPS 有效數(shù)據(jù)。

（6）校驗位：CK_A、CK_B 是采用 16 位校驗和。 協(xié)議使用的校驗和方法如下，其中 Buffer[I]表示校驗數(shù)據(jù)。

CK_A = 0，CK_B = 0 For（I=0;I<N;I++）

{

CK_A = CK_A + Buffer[I]

CK_B = CK_B + CK_A

}

（四）、GPS 模塊軟件調(diào)試

首先初始化CPU，然后初始化GPS模塊，然后確定是否存在的命令。如果不是，則清除讀/寫標(biāo)準(zhǔn)GPS為0，停止接收數(shù)據(jù)，并且如果是，確定所述命令是哪一種格式。該GPRMC格式也是在GPGGA格式。如果使用GPRMC格式，使用RMC語句。在GPGGA格式中，GGA格式被使用和所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并保存。

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