基于多旋翼無(wú)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(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)所述多旋翼UAV GPS模塊的硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)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(gè)高精度的GPS接收模塊和無(wú)線通信模塊的。無(wú)線通信模塊是負(fù)責(zé)與雄蜂通信。之后，無(wú)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航設(shè)計(jì)，可以使得無(wú)人機(jī)能夠朝著目標(biāo)GPS位置飛行。

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

一、無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

UAV（unmanned aerial vehicle）即無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛行器的一種泛稱(chēng)，相對(duì)于有人駕駛飛行器而言，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人控制，在飛行時(shí)依飛行器的動(dòng)力裝置所獲得的升力來(lái)抵消飛行器自身的重量，可通過(guò)遙控設(shè)備或自主飛行來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空中飛行任務(wù)。在眾多的無(wú)人機(jī)類(lèi)型中，四旋翼飛行器具有出色的性能，相較于固定翼無(wú)人機(jī)而言，四旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)于起飛條件的要求更低，可實(shí)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(shí)現(xiàn)垂直起飛和降落等優(yōu)點(diǎn)。由于四旋翼飛行器在飛行控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。世界上首架真正意義上的無(wú)人機(jī)由美國(guó)學(xué)者所研發(fā)并試飛成功。在上世紀(jì)中期，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的逐漸發(fā)展，為無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，多領(lǐng)域的應(yīng)用需求使其有著無(wú)與倫比的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。無(wú)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(wú)人機(jī)完成復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的戰(zhàn)場(chǎng)勘查以及現(xiàn)代反恐作戰(zhàn)之中;從民用層面上而言，無(wú)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(guò)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(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào)的接受，可同時(shí)接受4個(gè)以上的信號(hào)，并自動(dòng)完成當(dāng)前三維坐標(biāo)和速度的計(jì)算。該GPS高度顯示了無(wú)人機(jī)控制的高度。當(dāng)GPS接收器板的同時(shí)接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，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(cè)由GPS接收器和所述信號(hào)質(zhì)量接收到的衛(wèi)星信號(hào)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(hào)信息和信號(hào)質(zhì)量的量。

（三）、GPS 協(xié)議

GPS的定位原理是基于在高速運(yùn)行衛(wèi)星的瞬時(shí)位置，并且要被測(cè)量的點(diǎn)的位置由空間距離切除的方法計(jì)算。全球定位系統(tǒng)提供全球，全天候，高精度連續(xù)，實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)。對(duì)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(duì)常見(jiàn)的U-BLOX協(xié)議類(lèi)型進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)分組包括三個(gè)部分：頭部，數(shù)據(jù)部，和校驗(yàn)部。標(biāo)題的頭兩個(gè)字節(jié)是：0xB5執(zhí)行和0X62，通過(guò)該兩個(gè)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(gè)字節(jié)，表示消息的類(lèi)別;ID占一個(gè)字節(jié)，表示CLASS參數(shù)下的特定參數(shù)的項(xiàng)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(lái)驗(yàn)證報(bào)文的完整性?xún)蓚€(gè)校驗(yàn)字節(jié)。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是由三個(gè)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(hào)接收機(jī)（用戶(hù)部分），它們?nèi)咧g的關(guān)系如圖2-2。

（一）、底層驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程

系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程可分為兩步，分別為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘的啟動(dòng)。其中前者是在后者勢(shì)能時(shí)間超過(guò)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(shí)鐘就緒，隨后完成啟動(dòng)過(guò)程并調(diào)用 main（）主函數(shù)。

2.串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

串行端口實(shí)控制器和外部設(shè)備通信的重要接口。無(wú)人機(jī)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制需要連接大量的外部設(shè)備，例如電源模塊和無(wú)線通信模塊等等，并且所述軟件開(kāi)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(dòng)程序設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，由于強(qiáng)大的串行通訊能力。只要打開(kāi)時(shí)鐘，初始化串口，然后判斷串行端口是否打開(kāi)。也就是說(shuō)，無(wú)論是串口可以在此時(shí)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(zhǎng)度被配置，并且所述奇偶校驗(yàn)位被設(shè)置。最后，你可以添加一個(gè)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，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(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于體型較小的飛行器航行設(shè)備來(lái)說(shuō)，信息的快捷輸送是其一開(kāi)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(guò)大和路程過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，且可以幫助技術(shù)人員對(duì)過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行校正、提醒及修護(hù)。在與總線對(duì)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(gè)字符段構(gòu)成，控制段的主要功能是表示傳輸信號(hào)長(zhǎng)度、符號(hào)位;數(shù)據(jù)段用來(lái)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(shí)每一幀輸送的數(shù)據(jù)會(huì)不會(huì)有誤，ACK段可以表示被輸送的數(shù)據(jù)有沒(méi)有正常存儲(chǔ)。采用CAN總線通信時(shí)需要對(duì)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(shí)鐘時(shí)，CAN_RX銷(xiāo)需要被用作上拉輸入和CAN_TX銷(xiāo)被用作復(fù)位輸出。其次，要設(shè)置正確的工作模式，通過(guò)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(shí)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(shí)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(chǔ)存于郵箱的FIFO中，CAN總線接收?qǐng)?bào)文信息時(shí)要設(shè)置郵箱為空，并逐層訪問(wèn)郵箱，并判斷報(bào)文信息是否有效，隨后退出。

4.傳感器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

傳感器是是本文所設(shè)計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵所在，航空傳感器可完成當(dāng)前無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)、位置、速度以及高度等信號(hào)的實(shí)時(shí)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(wú)人機(jī)的位置姿態(tài)，并通過(guò)與設(shè)定的姿態(tài)信息進(jìn)行比較，隨后輸出控制參量對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行[27]。通過(guò)串口連接的GPS模塊可獲取當(dāng)前無(wú)人機(jī)的準(zhǔn)確位置。通過(guò)IIC總線連接的HMC5983磁航向傳感器可以測(cè)量小型無(wú)人機(jī)的三個(gè)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(jiǎn)單易行等諸多優(yōu)勢(shì)。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(shí)鐘信號(hào)線，CS為片選信號(hào)線。

（二）、系統(tǒng)初始化

通信初始化主要是對(duì)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(duì) 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(shí)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(tái)通信，分別配置 SPI、IIC 總線時(shí)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(zhuān)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(yùn)用了低開(kāi)銷(xiāo)的校驗(yàn)算法;同時(shí)采用雙層的消息標(biāo)志位。一個(gè)基本的 UBX 包結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。

（2）消息類(lèi)型位占用一個(gè)字節(jié)，定義了消息的基本子集。

（3）消息 ID 位占用一個(gè)字節(jié)。

（4）長(zhǎng)度位占用 2 字節(jié)，長(zhǎng)度位是指有效長(zhǎng)度，不包括包頭字節(jié)數(shù)、類(lèi)型信息、消息ID 和校驗(yàn)位。長(zhǎng)度用 16 位無(wú)符號(hào)整型表示。

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

（6）校驗(yàn)位：CK_A、CK_B 是采用 16 位校驗(yàn)和。 協(xié)議使用的校驗(yàn)和方法如下，其中 Buffer[I]表示校驗(yàn)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(xiě)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(yǔ)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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