基于多旋翼無人機的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和設計所述多旋翼UAV GPS模塊的硬件平臺。硬件平臺集成的最低系統電路，串行通信電路，網線接口電路，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。無線通信模塊是負責與雄蜂通信。之后，無人機可以飛行穩定和接收地面目標的GPS坐標，根據基于GPS的無人機導航設計，可以使得無人機能夠朝著目標GPS位置飛行。

關鍵詞：多旋翼無人機;GPS;導航系統

一、無人機簡介

UAV（unmanned aerial vehicle）即無人機。無人機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，無人機實現了無人控制，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，可通過遙控設備或自主飛行來實現復雜的空中飛行任務。在眾多的無人機類型中，四旋翼飛行器具有出色的性能，相較于固定翼無人機而言，四旋翼無人機對于起飛條件的要求更低，可實現垂直起降，其機械架構十分加單，具有負載能力強，可實現垂直起飛和降落等優點。由于四旋翼飛行器在飛行控制、結構設計、安裝調試等方面的要求較高，因此當前四旋翼飛行器的研究已成為學術界專家學者研究的熱點問題之一。世界上首架真正意義上的無人機由美國學者所研發并試飛成功。在上世紀中期，隨著自動控制技術和導航技術的逐漸發展，為無人機的出現和研發奠定了基礎，同時，多領域的應用需求使其有著無與倫比的發展優勢。無人機在當前生產生活中有著較為廣泛的應用：從軍事層面上而言，可利用無人機完成復雜作戰環境下的戰場勘查以及現代反恐作戰之中;從民用層面上而言，無人機可用于航拍和交通巡邏和救災等諸多領域。

二、傳感器和GPS接收機板

（一）、GPS 傳感器

GPS傳感器是主要負責采集緯度和多轉子UAV的經度信息，并通過GPS由主控制器發送的數據，并求解多轉子UAV 的位置的信息。

（二）、GPS 接收機板

GPS接收器的主要功能是實現GPS衛星信號的接受，可同時接受4個以上的信號，并自動完成當前三維坐標和速度的計算。該GPS高度顯示了無人機控制的高度。當GPS接收器板的同時接收多個衛星信號，它可確定GPS接收機的當前高度。在飛行控制監控，應監測由GPS接收器和所述信號質量接收到的衛星信號的數目。由此可以得出結論的是，GPS接收器板的功能是負責提供飛行穩定性控制和與飛機，當前GPS地面速度和GPS的當前緯度和經度基板的導航。身高，可以由飛機的當前位置接收的GPS衛星信號信息和信號質量的量。

（三）、GPS 協議

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

GPS導航系統是由三個子系統共同組成的，它們分別是：衛星星座（空間部分），地面監控系統（控制系統）以及信號接收機（用戶部分），它們三者之間的關系如圖2-2。

（一）、底層驅動軟件的設計與開發

1.系統的啟動過程

系統的啟動過程可分為兩步，分別為內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定標準的情況下使用的。系統復位之后等待系統時鐘就緒，隨后完成啟動過程并調用 main（）主函數。

2.串口驅動的設計

串行端口實控制器和外部設備通信的重要接口。無人機為實現自動控制需要連接大量的外部設備，例如電源模塊和無線通信模塊等等，并且所述軟件開發和調試進程也將被頻繁使用。串口，這樣的串口驅動程序設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計，由于強大的串行通訊能力。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用，串行端口，用于發送和接收數據。所述STM32F405R串行端口的發送數據設定處理是相同的串行端口接收數據的設定處理，然后將數據位的特定長度被配置，并且所述奇偶校驗位被設置。最后，你可以添加一個驗證的設計，以確定數據是否已發送或已成功接受。

3.CAN 總線驅動設計

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

4.傳感器驅動設計

傳感器是是本文所設計的四旋翼無人機的重要組成部分，也是實現自動駕駛的關鍵所在，航空傳感器可完成當前無人機飛行姿態、位置、速度以及高度等信號的實時采集，并將數據發送到單片機中進行處理，隨后單片機得到當前無人機的位置姿態，并通過與設定的姿態信息進行比較，隨后輸出控制參量對無人機的姿態進行調整，實現穩定飛行[27]。通過串口連接的GPS模塊可獲取當前無人機的準確位置。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準，具有接口少、控制方式簡單易行等諸多優勢。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為數據輸入和設備輸出線路，SCLK為時鐘信號線，CS為片選信號線。

（二）、系統初始化

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。其結構圖如圖3-3 所示。飛控系統將單片機主時鐘設置成 180MHz，配置 IO 口使能和中斷函數。使能串口中斷用于 GPS、數傳電臺通信，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 協議讀取 GPS 信息。UBX 協議采用二進制數輸出減少了傳輸數據;靈活運用了低開銷的校驗算法;同時采用雙層的消息標志位。一個基本的 UBX 包結構如圖3-4所示。

（2）消息類型位占用一個字節，定義了消息的基本子集。

（3）消息 ID 位占用一個字節。

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

（5）消息數據位是根據消息長度變化，包含需要的 GPS 有效數據。

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

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/寫標準GPS為0，停止接收數據，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據進行解析，并保存。

參考文獻

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