基于多旋翼無人機的GPS模塊設計

題目基于多旋翼無人機的GPS模塊設計摘要：本文基于新型STM32F4系列為核心，本文設計的多旋翼無人機GPS模塊的總體方案，并設計了硬件和軟件。所述ARMSTM32F405R被用作芯微控制器開發(fā)和設計所述多旋翼UAVGPS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。完成了硬件平臺的設計，焊接和調試。它由一個高精度的GPS接收模塊和無線通信模塊的。所述無線通信模塊是負責與雄蜂通信。之后，無人機可以飛行穩(wěn)定和接收地面目標的GPS坐標，完成基于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(tǒng)DesignofGPSModulebasedonMulti-rotorUAVAbstract：Inthispaper,basedonthenewSTM32F4series,theoverallschemeofGPSmoduleofmulti-rotorUAVisdesigned,andtheschemeisdesignedaroundhardwareandsoftware.ThehardwareplatformofGPSmoduleofmulti-rotorUAVisdevelopedanddesignedwithARMSTM32F405Rasthecoremicrocontroller.Thehardwareplatformintegratesminimumsystemcircuit,serialcommunicationcircuit,networklineinterfacecircuit,sensorcircuitandpowersupplycircuit.Thesensorcircuitincludessensorcircuit,magneticheadingsensorcircuitandGPScircuit.Thedesign,weldinganddebuggingofthehardwareplatformarecompleted.ByahighprecisionGPSThereceivingmoduleandthewirelesscommunicationmodulearecomposedofthewirelesscommunicationmodule,whichisresponsibleforcommunicatingwiththeUAV.AftertheUAVcanstabilizetheflightandreceivetheGPScoordinatesofthegroundtarget,theUAVnavigationdesignbasedonGPSiscompleted.EnablesdronestoflytowardsthetargetGPSposition.Keywords:multi-rotorUAV,GPS,Navigationsystem

目錄13161無人機簡介 5TOC\o"1-4"\h\u113271.1背景與意義 5253171.2國內外研究現(xiàn)狀 575181.3論文主要工作 613162GPS模塊硬件設計 7125232.1GPS模塊選擇 7241632.2接口 7246682.2.1UART 7283252.2.2USB 7256902.2.3顯示數據通道（DDC） 8189412.2.4SPI 829432.3硬件主要器件選型 8234662.3.1主控制器 8105642.3.2傳感器 9208812.3.3磁強計數據采集 97762.3.4CAN總線通信硬件 [28]。SPI初始化流程如圖4-7所示圖4-7SPI初始化流程圖4.4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配置。傳感器初始化主要是對IO使能和采樣周期的配置REF_Ref11803\r\h[29]。其結構圖如圖4-8所示。飛控系統(tǒng)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100kHz。圖4-8飛控初始化結構圖4.5GPS模塊數據采集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REF_Ref11760\r\h[30]。一個基本的UBX包結構如圖4-9所示。圖4-9UBX包結構（1）包頭由兩個同步字符1、同步字符2組成。占用兩個字節(jié)，分別為0xB5，0x62。（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、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(xié)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=0For(I=0;I<N;I++){CK_A=CK_A+Buffer[I]CK_B=CK_B+CK_A}4.6GPS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[31]。所述GPS讀取的數據流程圖如圖4-10所示。圖4-10GPS讀取數據流程圖本次實驗將得到的數據上傳到PC機，用非常強大的GPS軟件u-center來顯示如圖4-11所示：圖4-11PC機數據5總結在畢業(yè)設計的過程中，拓展了自己的人生經歷，對自己的專業(yè)有了更深入的了解，并獲得了很多感觸。在開始的時候一切都很困難，而在畢業(yè)設計剛剛開始時，根本是什么都不知道。在導師的指導下，從傳感器模塊開始學習。最后，能完成這篇畢業(yè)論文，這讓我意識到學習知識只能腳踏實地，一步一個腳印，日積月累，不可能瞬間成功。其次，繪制GPS模塊的原理圖用到了新的軟件AltiumDesigner18，在此之前，完全沒有接觸過，在完成畢業(yè)論文的同時也在學習AltiumDesigner18這個軟件，對于今后的學習工作來說，更加增長了一個技能，在這里學到的不僅是新知識，而且讓我意識到知識的廣度，并感覺我掌握的知識太微不足道了?，F(xiàn)在，我所學的專業(yè)知識仍然只是表層的許多知識。它始終在發(fā)展中。我們必須建立一個學海無涯的學習理念。其次，我面對未知的人體驗了勇氣和信心。我相信在未來的學習工作中，我將能夠應對機遇和挑戰(zhàn)，并不斷更新我的知識。提出的設計和基于STM32F4系列的小型無人機飛行控制系統(tǒng)的要求。芯片選擇，外圍接口電路設計和電路根據總體方案開發(fā)的。根據總體方案的設計要求，一系列的硬件設計，如芯片選擇與電路設計，滿足測量，控制，通信的要求，等等。硬件設計包括高精度GPS，磁阻傳感器HMC5893，數據的通信系統(tǒng)和接口電路設計采用STM32F405R作為微處理器，使用GPS來測量相對高度和位置信息，并且設計了基于無人駕駛飛機的飛行平穩(wěn)地上目標GPS模塊。老師的經驗極大地提高了畢業(yè)設計的進展。因此，面對困難，我們應該糾正自己的態(tài)度，同老師同學積極探討，讓自己避開彎路。參考文獻肖永力,張琛.微型飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J].宇航學報.2001,22~32.陳天華,郭培源.小型無人機自主飛行控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].航天控制.2006,24(5):86~90.AltugE,OstrowskiJ.P.,andTaylor,C.2003.Quadrotorcontrolusingdualvisualfeedback.ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA),Taipei,Taiwan,September,pp.4294-4299吳森堂，費玉華.飛行控制系統(tǒng).北京航空航天大學出版社，2005.09SureshKK,KahnAD,YavrucukI.GTMARS-FlightControlsandComputerArchitecture[M].Atlanta:GeorgiaInstituteofTechnology,2000常國權,戴國強.基于STM32的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2015,(2):29-32.古訓,田洪興.基于APM自駕儀的四旋翼飛行控制系統(tǒng)設計[J].貴陽學院學報,2015,(4):18-21.梁秋憧,程維明,潘志浩超小型飛行器自主導航系統(tǒng)地面站設計,機電一體化,2002年06期23~26.黃水長,栗盼,趙偉雄.農藥噴灑多旋翼無人機控制系統(tǒng)研究[J].自動化與儀表,2015,(5):9-12.白立群,李成鐵,周劍鋒.基于STM32的飛行控制器系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用,2013,(2):15-19.劉曉杰.基于視覺的微小型四旋翼飛行器位置估計研究與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學通信程學院,2009.陳哲.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)原理.宇航出版社.1986PaulPounds,RobertMahony,PeterCorke,ModellingandControlofaQuad-Rotor,InProceedingsoftheAustralasianConferenceonRoboticsandAutomation,Aucland,NewZealand.,December2006王平,謝浩飛,蔣建春,計算機控制技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.50-56.單海燕，四旋翼無人直升機飛行控制技術研究，碩士學位論文，南京，南京航空航天大學，2008AlexandreRobin,DesignofaFlightControllerforanX4-FlyerRotorcraft,MasterDegreeThesis,Huntsville,TheUniversityofAlabamainHuntsvilleTayebi,S.Mcgilvray,AttitudeStabilizationofaFour-rotoraerialrobot,IEEEConferenceonDecisionandControl,2004,12:14-17秦永元,張洪錢,汪叔華.卡爾曼濾波與組合導航原理.西北工業(yè)大學出版社.1998:33~56Tayebi,S.Mcgilvray,AttitudeStabilizationofaVTOLQuadrotorAircraft,IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2006,5:562-571譚廣超.四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學自動化系，2013.GAOZhong-yu,NIUXiao-ji,GUOMei-feng.Quaternion-BasedKalmanFilterforMicro-machinedStrapdownAttitudeHeadingReferenceSystem[J].ChineseJournalofAeronautics,2002,15(3):171-175D.Gebre-Egziabher,GabrielH.Elkaim,J.D.Powell.AGyro-FreeQuaternion-BasedAttitudeDeterminationSystemSuitableforImplementationUsingLowCostSensor.PositionLocationandNavigationSymposium.IEEE,2000:185-192魏麗文.四旋翼飛行器行器控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系,2010.姚元鵬，四旋翼直升機控制問題研究，碩士學位論文，哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學，2007LamQ,LaksoJ,HuntT.Enhancingattitudeestimationaccuracyviasystemnoiseoptimization[C].ProceedingsoftheSPIE.Orlando,FL,USA.2004,5403:553-564Gebre-EgziabherD,GabrielH.Agyro-freequaternion-basedattitudedeterminationsystemsuitableforimplementationusinglowcostsensors[C].IEEEPositionLocationandNavigationSymposium.SanDiego,California,USA,2000:185-192高倩,徐文.國外微型無人機發(fā)展概況.飛航導彈,2003,(06):14-18MarinsJL,YuanXiaoping,BachmannER,etal.AnextendedKalmanfilterforquaternion-basedorientationestimationusingMARGsensors[C]P