使用GPS傳感器的飛行器自動拋物系統(tǒng)設(shè)計

引言

現(xiàn)代飛行器在社會各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其中利用飛行器進行物資的運輸投放也頗為常見。例如，在發(fā)生重大自然災(zāi)害時，由于路面交通的損壞，將使得空中運輸成為受災(zāi)區(qū)域各物資來源的唯一途徑[1]。以往飛行員在投放物資時，往往根據(jù)經(jīng)驗通過目測來確定投放時機，但是這樣往往會給地面人員的物資拾取帶來很大的不便，尤其是在地理環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)[2]。GPS傳感器是一種能夠全天候、實時地提供載體位置信息的傳感器，在很多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[3]。若能利用GPS傳感器采集詳細的飛行器位置信息，并通過飛行器中央處理單元依據(jù)這些信息快速計算出拋物的準(zhǔn)確時機，則可以有效地提高物資投放的準(zhǔn)確性。此外，飛行器拋物系統(tǒng)在軍事上也有廣泛用途，如利用無人飛行器進行投彈等。

本設(shè)計將GPS數(shù)字傳感器整合到小型無人飛行器上，經(jīng)ADuC7026單片機精確運算處理后，對目標(biāo)位置進行準(zhǔn)確拋物。

總體方案設(shè)計及飛行拋物算法

總體設(shè)計

本文設(shè)計的飛行器拋物系統(tǒng)的拋物過程如圖1所示，為了能精確地將物體投擲到目標(biāo)點，必須在飛行器距離目標(biāo)點一定距離時便提前開啟拋物裝置，使物體在空中以一定的初速度做自由落體運動直至到達目標(biāo)點。

飛行器拋物系統(tǒng)主要分為測量傳感單元、主控單元和執(zhí)行單元，如圖2所示。測量傳感單元采用Trimble公司生產(chǎn)的C2626型GPS數(shù)字傳感模塊和ADI公司生產(chǎn)的ADXRS612型MEMS陀螺儀，主要用于獲取飛行器的空間坐標(biāo)及俯仰角信息。主控模塊采用ADI公司生產(chǎn)的ADuC7026單片機，用于實現(xiàn)對位置坐標(biāo)的采集及解算，并結(jié)合拋物算法輸出控制指令驅(qū)動執(zhí)行模塊拋物。

本設(shè)計中，將欲投擲目標(biāo)點的坐標(biāo)信息預(yù)先寫入單片機，然后由ADuC7026單片機接收GPS的導(dǎo)航電文，解碼出當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、高度、水平速度，并結(jié)合陀螺儀檢測出當(dāng)前的俯仰角。最后根據(jù)飛行高度、水平速度、俯仰角以及飛機與目標(biāo)點的相對位置信息，計算出最佳拋物時機所處的位置，當(dāng)飛機到達此位置時，由ADuC7026單片機產(chǎn)生的PWM信號控制舵機使之打開擋板開關(guān)，最終實現(xiàn)自動拋物。

飛行拋物算法為了更全面地分

析飛行器拋物過程，可以將一個隨機的拋物過程可以分為兩種類型，即斜上拋物和斜下拋物(水平拋物可以看作上述兩種類型的特殊情況)，這兩種類型分別對應(yīng)俯仰角α>0和α<0，二者對應(yīng)的運動軌跡如圖3所示。其中橫軸代表水平距離，縱軸代表豎直高度。

從起拋點到目標(biāo)點的水平距離即為提前拋擲閾值，根據(jù)拋物運動的相關(guān)知識不難得出以下公式：

斜上拋物時提前拋物距離閾值D1

俯仰角的修正

雖然MEMS陀螺儀具有體積小、成本低、易于集成等優(yōu)點，但是它的速率輸出易受溫度等環(huán)境因素影響而產(chǎn)生漂移，這會給俯仰角的測量帶來隨時間不斷積累的誤差[4]。而通過GPS傳感器的修正可以較好地彌補這一不足，修正方法如下：

利用GPS傳感器求取俯仰角的方法如圖4所示。只要計算出飛行器當(dāng)前時刻與前一時刻的高度差H?和水

若設(shè)定G P S信息更新頻率為5Hz(即每200ms導(dǎo)航電文更新一次)，那么單片機每隔200ms就將通過GPS傳感器的信息對俯仰角進行一次修正。相對于采用單一傳感器測量的方式而言，這種采用MEMS陀螺儀與GPS傳感器結(jié)合測量俯仰角的方式即保證了實時性又提高了測量精度。

本系統(tǒng)采用電壓為12V的大容量鋰聚合物電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片處理后供給各單元電路，主要硬件單元連接框圖如圖5所示。

主控單元

本設(shè)計中主控芯片采用的是ADI公司的ADuC7026單片機。ADuC7026集成了ARM7TDMI內(nèi)核，其外設(shè)包括一個比較器，可編程邏輯陣列(PLA)和3相脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器，40個通用I/O口，1個UART等。當(dāng)工作在41.78MHz時，其功耗一般是120mW[5]。可見，ADuC7026單片機具有較低的功耗和優(yōu)越的性能，滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。

傳感器單元

GPS傳感器采用Trimble公司生產(chǎn)的C2626型GPS模塊，它具有體積小、定位快速準(zhǔn)確等優(yōu)點，并提供多種格式的導(dǎo)航電文輸出，它可以通過UART串口把坐標(biāo)信息傳送給ADuC7026單片機進行處理。陀螺儀采用ADI公司生產(chǎn)的ADXRS612型陀螺儀，它的測量范圍可達±300°/s，采用模擬電壓輸出，可以通過單片機的ADC進行數(shù)據(jù)采樣。

執(zhí)行單元

執(zhí)行單元采用Futaba S3003型舵機來驅(qū)動機械投擲裝置。舵機的驅(qū)動信號是一個周期為20ms，脈寬在1ms至2ms之間變化的PWM信號，脈寬為1ms時對應(yīng)舵機的左極限位置，對應(yīng)機械裝置閉合。脈寬為2ms時對應(yīng)舵機的右極限位置，對應(yīng)機械裝置開啟。利用ADuC7026單片機的PWM發(fā)生器編程產(chǎn)生的驅(qū)動信號如圖6和圖7所示，兩信號分別對應(yīng)機械裝置閉合和開啟，信號采用RIGOL DS5202型數(shù)字示波器測量。可見通過設(shè)置單片機輸出PWM的脈寬就可以控制拋物裝置的開關(guān)狀態(tài)。

軟件流程設(shè)計

GPS的解碼

GPS的解碼是本次設(shè)計的關(guān)鍵，Trimble C2626型GPS數(shù)字傳感模塊提供基于NMEA-0183協(xié)議的5種格式的導(dǎo)航電文輸出，分別為GPGGA、GPRMC、GPGSA、GPGSV以及GPGLL。為了即獲取足夠的導(dǎo)航信息又能提高系統(tǒng)的實時性，本設(shè)計僅對GPGGA格式的導(dǎo)航電文進行接收解碼。設(shè)置單片機串口波特率為9600bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗。當(dāng)接收到衛(wèi)星信號時，一條GPGGA格式的導(dǎo)航電文如下例所示：

$GPGGA，081545.00，4544.7518，N，1 2317.5230，E，1，08，1.6，140.0，M，14.2，M，，*4 A。

對一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的說明如下：

$GPGGA：數(shù)據(jù)幀頭，代表GPS固定數(shù)據(jù)

輸出語句；081545.00：24小時制UTC時間，格式為hh/mm/ss/.ss；

4544.7518：當(dāng)前緯度值，度分格式；

N：緯度方向，N(北緯)或S(南緯)；

12317.5230：當(dāng)前經(jīng)度值，度分格式；

E：經(jīng)度方向，E(東經(jīng))或W(西經(jīng))；

140.0：接收機天線所處位置海拔高度；

M：代表單位米。

分析可以看出，導(dǎo)航電文以“$”符開始，回車符結(jié)束，各種信息間以逗號“，”分開，根據(jù)這個規(guī)律，可以編寫解碼程序?qū)⒏鞣N導(dǎo)航信息分類存儲，軟件流程如圖8所示。

飛行拋物的控制

拋物控制的軟件流程如圖9所示。系統(tǒng)首先裝載目標(biāo)位置坐標(biāo)信息，然后采集傳感器信息并進行運算處理，當(dāng)距目標(biāo)距離d小于等于提前拋擲距離閾值D時，開始拋物。拋物結(jié)束后，延時5秒鐘，當(dāng)飛行器飛出投擲目標(biāo)范圍后舵機擋板自動閉合收起。

實驗與調(diào)試

為了減小高大建筑物對信號的遮蔽和反射，實驗選在郊外開闊的廣場，在近似無風(fēng)的天氣下進行測試。拋投物體分別選擇重量為200g的布袋、水袋和沙袋以盡可能全面地模擬實際情況。實驗結(jié)果如表1所示，表中數(shù)據(jù)是重復(fù)實驗十次后取平均值所得。

結(jié)語

本文分析了飛行拋物算法公式，制定了各參量的求解方法，并且針對MEMS陀螺儀測角誤差隨時間積累的不足，利用GPS傳感器進行了俯仰角的校正，設(shè)計了飛行器拋物的控制流程。最后經(jīng)過多次調(diào)試實驗，結(jié)果表明，對于一些密度較大，受風(fēng)力影響較小的物體可以實現(xiàn)準(zhǔn)確定點拋物。如何減小或補償風(fēng)力的影響是下一步研究的方向。

參考文獻：

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