基于多旋翼无人机的GPS模块设计和实现 计算机科学与技术专业

题目基于多旋翼无人机的GPS模块设计摘要：本文基于新型STM32F4系列为核心，本文设计的多旋翼无人机GPS模块的总体方案，并设计了硬件和软件。所述ARMSTM32F405R被用作芯微控制器开发和设计所述多旋翼UAVGPS模块的硬件平台。硬件平台集成的最低系统电路，串行通信电路，网线接口电路，传感器电路和电源电路。传感器电路包括传感器电路。磁航向传感器电路，GPS电路。完成了硬件平台的设计，焊接和调试。它由一个高精度的GPS接收模块和无线通信模块的。所述无线通信模块是负责与雄蜂通信。之后，无人机可以飞行稳定和接收地面目标的GPS坐标，完成基于GPS的无人机导航设计，可以使得无人机能够朝着目标GPS位置飞行。关键词：多旋翼无人机、GPS、导航系统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

目录13161无人机简介 5TOC\o"1-4"\h\u113271.1背景与意义 5253171.2国内外研究现状 575181.3论文主要工作 613162GPS模块硬件设计 7125232.1GPS模块选择 7241632.2接口 7246682.2.1UART 7283252.2.2USB 7256902.2.3显示数据通道（DDC） 8189412.2.4SPI 829432.3硬件主要器件选型 8234662.3.1主控制器 8105642.3.2传感器 9208812.3.3磁强计数据采集 97762.3.4CAN总线通信硬件 [28]。SPI初始化流程如图4-7所示图4-7SPI初始化流程图4.4系统初始化通信初始化主要是对串口、SPI、IIC总线的初始化和中断函数配置。传感器初始化主要是对IO使能和采样周期的配置REF_Ref11803\r\h[29]。其结构图如图4-8所示。飞控系统将单片机主时钟设置成180MHz，配置IO口使能和中断函数。使能串口中断用于GPS、数传电台通信，分别配置SPI、IIC总线时钟频率为10.05MHz和100kHz。图4-8飞控初始化结构图4.5GPS模块数据采集GPS模块GPS模块采用串口与主芯片通信，采用Ublox专有的UBX协议读取GPS信息。UBX协议采用二进制数输出减少了传输数据；灵活运用了低开销的校验算法；同时采用双层的消息标志位REF_Ref11760\r\h[30]。一个基本的UBX包结构如图4-9所示。图4-9UBX包结构（1）包头由两个同步字符1、同步字符2组成。占用两个字节，分别为0xB5，0x62。（2）消息类型位占用一个字节，定义了消息的基本子集。（3）消息ID位占用一个字节。（4）长度位占用2字节，长度位是指有效长度，不包括包头字节数、类型信息、消息ID和校验位。长度用16位无符号整型表示。（5）消息数据位是根据消息长度变化，包含需要的GPS有效数据。（6）校验位：CK_A、CK_B是采用16位校验和。协议使用的校验和方法如下，其中Buffer[I]表示校验数据。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模块软件调试首先初始化CPU，然后初始化GPS模块，然后确定是否存在的命令。如果不是，则清除读/写标准GPS为0，停止接收数据，并且如果是，确定所述命令是哪一种格式。该GPRMC格式也是在GPGGA格式。如果使用GPRMC格式，使用RMC语句。在GPGGA格式中，GGA格式被使用和所获得的数据进行解析，并保存[31]。所述GPS读取的数据流程图如图4-10所示。图4-10GPS读取数据流程图本次实验将得到的数据上传到PC机，用非常强大的GPS软件u-center来显示如图4-11所示：图4-11PC机数据5总结在毕业设计的过程中，拓展了自己的人生经历，对自己的专业有了更深入的了解，并获得了很多感触。在开始的时候一切都很困难，而在毕业设计刚刚开始时，根本是什么都不知道。在导师的指导下，从传感器模块开始学习。最后，能完成这篇毕业论文，这让我意识到学习知识只能脚踏实地，一步一个脚印，日积月累，不可能瞬间成功。其次，绘制GPS模块的原理图用到了新的软件AltiumDesigner18，在此之前，完全没有接触过，在完成毕业论文的同时也在学习AltiumDesigner18这个软件，对于今后的学习工作来说，更加增长了一个技能，在这里学到的不仅是新知识，而且让我意识到知识的广度，并感觉我掌握的知识太微不足道了。现在，我所学的专业知识仍然只是表层的许多知识。它始终在发展中。我们必须建立一个学海无涯的学习理念。其次，我面对未知的人体验了勇气和信心。我相信在未来的学习工作中，我将能够应对机遇和挑战，并不断更新我的知识。提出的设计和基于STM32F4系列的小型无人机飞行控制系统的要求。芯片选择，外围接口电路设计和电路根据总体方案开发的。根据总体方案的设计要求，一系列的硬件设计，如芯片选择与电路设计，满足测量，控制，通信的要求，等等。硬件设计包括高精度GPS，磁阻传感器HMC5893，数据的通信系统和接口电路设计采用STM32F405R作为微处理器，使用GPS来测量相对高度和位置信息，并且设计了基于无人驾驶飞机的飞行平稳地上目标GPS模块。老师的经验极大地提高了毕业设计的进展。因此，面对困难，我们应该纠正自己的态度，同老师同学积极探讨，让自己避开弯路。参考文献肖永力,张琛.微型飞行器的研究现状与关键技术[J].宇航学报.2001,22~32.陈天华,郭培源.小型无人机自主飞行控制系统的实现[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吴森堂，费玉华.飞行控制系统.北京航空航天大学出版社，2005.09SureshKK,KahnAD,YavrucukI.GTMARS-FlightControlsandComputerArchitecture[M].Atlanta:GeorgiaInstituteofTechnology,2000常国权,戴国强.基于STM32的四轴飞行器飞控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2015,(2):29-32.古训,田洪兴.基于APM自驾仪的四旋翼飞行控制系统设计[J].贵阳学院学报,2015,(4):18-21.梁秋憧,程维明,潘志浩超小型飞行器自主导航系统地面站设计,机电一体化,2002年06期23~26.黄水长,栗盼,赵伟雄.农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究[J].自动化与仪表,2015,(5):9-12.白立群,李成铁,周剑锋.基于STM32的飞行控制器系统设计[J].自动化技术与应用,2013,(2):15-19.刘晓杰.基于视觉的微小型四旋翼飞行器位置估计研究与实现[D].长春：吉林大学通信程学院,2009.陈哲.捷联惯导系统原理.宇航出版社.1986PaulPounds,RobertMahony,PeterCorke,ModellingandControlofaQuad-Rotor,InProceedingsoftheAustralasianConferenceonRoboticsandAutomation,Aucland,NewZealand.,December2006王平,谢浩飞,蒋建春,计算机控制技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.50-56.单海燕，四旋翼无人直升机飞行控制技术研究，硕士学位论文，南京，南京航空航天大学，2008AlexandreRobin,DesignofaFlightControllerforanX4-FlyerRotorcraft,MasterDegreeThesis,Huntsville,TheUniversityofAlabamainHuntsvilleTayebi,S.Mcgilvray,AttitudeStabilizationofaFour-rotoraerialrobot,IEEEConferenceonDecisionandControl,2004,12:14-17秦永元,张洪钱,汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理.西北工业大学出版社.1998:33~56Tayebi,S.Mcgilvray,AttitudeStabilizationofaVTOLQuadrotorAircraft,IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2006,5:562-571谭广超.四旋翼飞行器姿态控制系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学自动化系，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魏丽文.四旋翼飞行器行器控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系,2010.姚元鹏，四旋翼直升机控制问题研究，硕士学位论文，哈尔滨，哈尔滨工业大学，2007LamQ,LaksoJ,HuntT.Enhancingattitudeestimationaccuracyviasystemnoiseoptimization[C].ProceedingsoftheSPIE.Orlando,FL,USA.2004,5403:553-564Gebre-EgziabherD,GabrielH.Agyro-freequaternion-basedattitudedeterminationsystemsuitableforimplementationusinglowcostsensors[C].IEEEPosi