基于GPS的四轴飞行器的导航系统设计.docx

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基于GPS的四轴飞行器的导航系统设计

密级：

NANCHANGUNIVERSITY

学士学位论文

THESISOFBACHELOR

（2011—2015年）

题目：

四轴飞行器的GPS导航系统设计

学院：

信息工程学院系自动化系

专业班级：

测控技术与仪器

学生姓名：

程浩学号：

5801211090

指导教师：

张宇职称：

讲师

起讫日期：

2015年3月15日至2015年5月29日

南昌大学

学士学位论文原创性申明

本人郑重申明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于

不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

四轴飞行器的GPS导航系统设计

专业：

测控技术与仪器学号：

5801211090

学生姓名：

程浩指导教师：

张宇

摘要

在四轴飞行器诞生之前，如某地发生灾害，救援人员到达现场路途艰辛，派无人机探路虽可以节省时间成本很高，动辄几十万。

而且一些地方要求微小的操作空间，这时四轴飞行器的优势就凸显出来。

但同时，在一些如气象部门或者测绘部门等等的四轴飞行器的使用中，四轴飞行器的一些短板就日益凸现出来。

例如飞行器的续航问题，飞行规划问题等。

在一些没有导航仪的飞行器上我们想知道飞行器的位置我们都无从知晓。

对于此问题的解决办法就是给飞行器安装一个GPS导航仪并配备自动导航系统。

下文就是关于基于GPS的四轴飞行器的导航系统的设计。

本文致力于研究四轴飞行器在GPS导航的前提下能够实时显示飞行器的当前时间，位置有经度和纬度，海拔和速度信息。

为以后四轴飞行器的自主导航研究打下基础。

本文的重要步骤如下：

（1）读取U-blox公司的VK1612U7M3型GPS导航模块从卫星接收的数据并分析提取我们需要的时间、位置、速度等信息。

（2）把从GPS模块提取的信息经过MCU处理后由LCD12864液晶直观的显示出来，并且能通过按键切换不同的显示界面。

关键词：

GPS，LCD12864，四轴飞行器

TheDesignofGPSnavigationsystemforQuadrotor

Abstract

Abstract:

Beforetheinventionofquadrotor,It'shardforrescueworkerstoarriveifadisasteroccurs.SendinganUAVcanbequickbutitusuallycostsalot,evenhundredsofthousands.Someplacesrequiresmalloperatingspace,thentheadvantagesquadrotorwouldstandout.

Theuseofquadrotorhasbeeninlotsofareasuchasthemeteorologicaldepartmentorsurveyingandmappingdepartments.Butatthesametime,itsdisadvantagessuchasenduranceandpathplanningcomeoutgradually.Wehavenowaytofigureoutthelocationofsomeaircraftswithoutnavigator.WecansolvethisproblembyinstallingaGPSnavigatorontheaircraftwithanautomaticnavigationsystem.Inthenext,IgivemydesignonGPS-basednavigationsystemofthequadrotor.

Inthispaper,weweredevotedtofindoutifthequadrotorequippedwithGPSnavigationabletoshowthereal-timeandthepositionincludinglongitude,latitude,altitudeandspeedinformationduringtheflight.Myresearchwilllaygreatfoundationforfutureresearchofquadrotorautonomousnavigation.Idoitasfollows:

（1）ReadtheU-bloxcompany'sGPSnavigationdataofVK1612U7M3receivedfromthesatelliteandanalyzetheextractiontimeweneed,location,speedandotherinformation.

（2）HandletheinformationextractedfromtheGPSmodulewithMCU,thenvisualdisplaysitwithLCD12864,switchingthekeycangetdifferentdisplays.

Keywords:

GPS，LCD12864，quadrotor.

.

第一章绪论

1.1四轴飞行器定义

图1-1四轴飞行器

四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。

其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正传，也可以反转。

为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，通过电子调控器来保证其快速飞行。

1.2国内外研究现状及发展趋势

四轴飞行器可搭载GPS、北斗导航系统、高清摄像头、各种科研设备甚至武器系统,民用型的飞行器可执行灾情调查救援任务;各种通讯中继等。

军用的飞行器可执行高空定点侦查,情报搜寻以及武装攻击等高风险任务。

在中国有一家世界级的全球顶尖的无人机飞行平台和影像系统自主研发和制造商——深圳市大疆创新科技有限公司（DJI）,其成立于2006年,作为一家在无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商在全球处于领先地位,在全球有40多个国家都有它的客户。

通过大疆不断的努力并致力于为无人机工业、行业用户以及专业航拍应用提供性能最、体验最好的革命性智能解决方案和飞控产品。

作为全球顶尖的无人机飞行平台和影像系统自主研发和制造商，DJI大疆创新始终以领先的技术和尖端的产品为发展核心。

从最早的商用飞行控制系统起步，逐步研发推出了ACE直升机飞控系统、多旋翼飞控系统、S1000筋斗云高画质专业飞行平台、多旋翼一体机Phantom、Ronin三轴手持云台系统等产品系列。

不仅填补了国内外多项技术空白，并成为全球同行业中领军企业。

目前，DJI以“飞行影像系统”为核心发展方向，通过多层次的空中照相机方案，带给人类全新的飞行感官体验，使得飞行在普罗大众中皆能随心所欲。

下图1-2为大疆无人机的几款无人机产品。

图1-2大疆无人机的几款无人机产品

在国外，在德国，由德国MICRODRONES公司生产的型号MD4-200四旋翼飞行器如图1-3，机体采用碳塑材料，因而它兼具轻巧和高强度的特点，同时该材料也使MD4-200可以抗电磁干扰。

其AAHRS（高度、姿态和航向参考系统）使用了如下几种传感器：

加速计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计。

通过使用4个同步无刷直驱电马达，飞行器的噪音非常小（当转速小于2000转/分钟，在3米处噪音小于63分贝）。

选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等。

MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落。

目前MD4-200可以完成一次充电不低于20分钟的飞行时间。

2006年4月在德国上市以来，短短的16个月里，在欧洲已经销售了超过250套MD4-200四旋翼飞行器系统，它们被用于许多不同领域：

航空摄影、空中考古、空中监视、植被调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队等等。

图1-3德国MICRODRONES公司生产的型号MD4-200四旋翼飞行器

第二章四轴飞行器GPS导航模块分析实现设计

2.1GPS导航系统整体实现程序流程图

程序流程图是人们对解决程序问题的方法，思路或者算法的一种描述。

流程图的优点是：

采用简单规范的符号，画法简单。

结构清晰，逻辑性强。

便与描述，容易理解。

程序流程图不能随意画，一旦随意画就会显得程序结构杂乱无章，这样的程序让人非常难以理解和接受，并且容易出错。

因此程序必须遵守三个结构：

顺序结构，选择结构，循环结构。

在流程图中，不同的图形代表着不同的含义。

图2-1为本设计的程序流程：

图2-1程序流程图

2.2GPS导航系统实现方向框图

GPS导航系统的实现方案框图如图2-2所示，系统采用STC89C52RC单片机作为控制器。

显示界面采用12864点阵液晶显示屏显示GPS芯片接收到的定位数据、时间数据以及单片机发出的导航数据。

GPS模块型号为U-blox公司的VK1612U7M3型。

图2-2GPS导航系统的实现方案框图

在本课题中，主要研究内容有3个方面：

GPS导航系统设计、按键响应设计、LCD12864同步显示设计。

2.3GPS导航模块介绍

GPS导航模块设计：

GPS模块型号为U-blox公司的VK1612U7M3型。

该模块的优势是灵敏度高，跟踪灵敏度-165dBm，捕捉灵敏度-148dBm，功耗在60mw左右，通讯方式是TTL电平（默认波特率9600）。

冷启动平均33秒，热启动平均只要1秒。

在自动模式下精度小于2.5m，在SBAS模式下精度小于3m。

设置一个按键，用以切换不同界面。

图2-3为GPS导航模块实物图：

图2-3GPS导航模块实物图

2.4GPS导航模块协议信息接收分析设计

在上文中已经介绍了GPS导航模块，在下文中主要介绍GPS导航模块的工作方式，数据分析提取方式。

GPS定位系统的工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息。

测量定位时,用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。

根据这些数据和自身位置,由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。

观测时,接收机利用码发生器生成的信息与卫星接收的信号进行相关处理,并根据导航电文的时间标和子帧计数测量用户和卫星之间的伪距。

将修正后的伪距及输入的初始数据及四颗卫星的观测值列出3个观测方程式,即可解出接收机的位置,并转换所需要的坐标系统,以达到定位目的。

如此GPS芯片就能接收从卫星发来的一系列GPS数据信息。

我们需要的就是从这些数据中分析提取出我们需要的时间、位置、速度信息。

该协议信息包括GGA位置测定系统的定位资料、GSV导航卫星资料、RMC导航卫星特定精简资料、VTG方向及速度等相关资料。

这里以接收GGA数据为例，给出的格式如下：

$GPGGA,hhmmss,dddmm.mmmm,a,dddmm.mmmm,a,x,xx,x.x,x.x,M,,M,x.x,xxxx*CS

例1：

$GPGGA,153925.00,2839.70832,N,11547.48216,E,1,05,1.96,58.0,M,-4.3,M,,*78

图2-4.1坐标定位

通过下文所述可读出上面例子中的位置信息为：

北纬28度39.70832分，西经115度47.48216分，格林威治时间为：

15点39分25.00秒。

GPS数据格式：

①、GPS固定数据输出语句（$GPGGA）；

这是一帧GPS定位的主要数据，也是使用最广的数据。

$GPGGA语句包括17个字段：

语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记（用回车符和换行符），分别用14个逗号进行分隔。

该数据帧的结构及各字段释义如下：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx

$GPGGA：

起始引导符及语句格式说明（本句为GPS定位数据）；

<1>UTC时间，格式为hhmmss.sss；

<2>纬度，格式为ddmm.mmmm（第一位是零也将传送）；

<3>纬度半球，N或S（北纬或南纬）；

<4>经度，格式为dddmm.mmmm（第一位零也将传送）；

<5>经度半球，E或W（东经或西经）；

<6>定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效；

<7>使用卫星数量，从00到12（第一个零也将传送）；

<8>水平精确度，0.5到99.9；

<9>天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米，M指单位米；

<10>大地水准面高度，-9999.9到9999.9米，M指单位米；

<11>差分GPS数据期限（RTCMSC-104），最后设立RTCM传送的秒数量；

<12>差分参考基站标号，从0000到1023（首位0也将传送）；

*语句结束标志符；

xx从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验和；

回车；

换行；

②、可视卫星状态输出语句（$GPGSV）；

例2：

$GPGSV,3,1,11,02,28,279,26,03,14,040,27,05,06,215,,06,57,331,27*79

标准格式：

$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…<4>,<5>,<6>,<7>*hh

各部分含义为：

<1>总的GSV语句电文数：

3；

<2>当前GSV语句号：

1；

<3>可视卫星总数：

11；

<4>卫星号：

02；

<5>仰角：

28度；

<6>方位角：

279度；

<7>信噪比：

26dB（后面依次为第03，05，06号卫星的信息）；

*总和校验域；

hh总和校验数：

79；

回车；

换行；

注：

每条语句最多包括四颗卫星的信息，每颗卫星的信息有四个数据项，即：

<4>卫星号，<5>仰角，<6>方位角，<7>信噪比。

③、GPRMC（建议使用最小GPS数据格式）；

例3：

$GPRMC,153925.00,A,2839.70832,N,11547.48216,E,0.189,,260415,,,A*7C

通过下文可读出：

当前日期为2015年04月26日，相对位移速度为0.189m/s。

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>

<1>标准定位时间（UTCtime）格式：

时时分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）；

<2>定位状态，A=数据可用，V=数据不可用；

<3>纬度，格式：

度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）；

<4>纬度区分，北半球（N）或南半球（S）；

<5>经度，格式：

度度分分.分分分分；

<6>经度区分，东（E）半球或西（W）半球；

<7>相对位移速度，0.0至1851.8knots

<8>相对位移方向，000.0至359.9度。

实际值；

<9>日期，格式：

日日月月年年（ddmmyy）；

<10>磁极变量，000.0至180.0；

<11>度数；

<12>Checksum.（检查位）；

从卫星接收到的每一条协议信息就可以根据以上表格对应查询。

’$’做信息接收标志位进行中断。

图2-4为GPS导航模块从卫星接收的协议信息通过串口调试助手显示出来。

图2-4.2调试接收数据

2.5GPS导航模块协议信息提取设计

在接收并分析了GPS导航模块与卫星之间的协议信息后，接下来就是提取接受信息中的我们需要的时间、位置、速度信息，如图2-4。

时间信息包含年月日、时分秒，分别可以根据GPS数据格式$GPRMC和$GPGGA中提取；位置信息包含纬度和经度可分别在$GPGGA中提取；速度信息可在$GPRMC中提取。

故在单片机中可设置串口中断，当串口接收到’$’这个字符时代表单片机接收到协议信息并开始准备接收从GPS模块传送过来的数据，单片机串口中断中含有寄存器可以保存接收到的数据信息，当接收到一定量的数据后停止接收并从中提取对应字符数据。

2.6LCD12864液晶显示设计

把GPS导航模块接收到的协议信息经过处理后得到我们需要的时间、位置、速度信息后通过12864显示出来。

并通过按键来切换不同的显示界面。

2.7按键响应设计

通过按键来切换12864不同的显示界面。

第三章四轴飞行器GPS导航模块硬件设计

3.1最小系统硬件设计

3.1.1单片机STC89C52

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但也做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

STC89C52具有8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口，如图3-1-1所示。

图3-1-1单片机STC89C52

以下为STC89C52的管脚说明：

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口：

P3.0RXD（串行输入口）；P3.1TXD（串行输出口）；P3.2/INT0（外部中断0）；P3.3/INT1（外部中断1）；P3.4T0（记时器0外部输入）；P3.5T1（记时器1外部输入）；P3.6/WR（外部数据存储器写选通）；P3.7/RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.2单片机晶振部分

如图3-1-2所示，为单片机的晶振电路部分。

其中C1、C2为33pF的电容，它是振荡回路交联电容，如果没这两个电容的话，振荡部分会因为没有回路而停振。

电路就不能正常工作。

Y1就是11.0592MHZ的晶振。

一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的。

可以说晶振就是单片机的心脏，为单片机工作提供动力。

图3-1-2单片机晶振电路部分

3.1.3单片机复位部分

如图3-1-3所示，为单片机的复位电路部分。

复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。

当电源低于单片机正常工作电压，影响单片机工作；程序跑飞，时钟失步等情况下需要使单片机复位。

该复位电路为按键复位，按键复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。

按键复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使保持按钮接通达几十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。

图3-1-3