基于GPS的四旋翼飛行器定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃艷虎+陳家裕+陳倍昌+朱逸政

摘要：四旋翼飛行器是近年來新興的一類多用途、寬領(lǐng)域適用的微型飛行器。但傳統(tǒng)的四旋翼飛行器的受控方式十分有局限，軟件化控制將在自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域成為四旋翼飛行器未來控制方式的主流。借助全球定位系統(tǒng)GPS，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，制成了一套系統(tǒng)，以軟為主、硬件相結(jié)合的方式完成用戶端的控制軟件，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器GPS數(shù)據(jù)的接收，并以地圖定位的方式顯示。此四旋翼飛行器定位系統(tǒng)將為四旋翼飛行器的應(yīng)用增加便利。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；GPS；定位；GPRS

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）08-0205-02

Abstract： Quadrotor aircraft is a kind of multi-purpose，micro air vehicles with wide field of application， which is emerging in recent years. But traditional quadrotors method of control is very limited， and the software control will become the main flow of quadrotor control mode in the field of automation application. By means of global positioning system （GPS）， via GPRS network communication， a system， which canreceive GPS data of the quadrotor aircraft， anddisplay the map.is designed. The four rotor aircraft positioning system willmake the application of quadrotor more convenient.

Key words： four rotor aircraft； GPS； location， GPR

四旋翼飛行器是近年來新興的一類多用途、寬領(lǐng)域適用的微型飛行器。該類飛行器屬于常見的多用途簡(jiǎn)易輕型無人機(jī)，具有使用靈活、不受一般的交通線路約束的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于勘探、物流快遞、航空拍攝及其他特定應(yīng)用領(lǐng)域。

但傳統(tǒng)的四旋翼飛行器高度依賴于手持的遙控設(shè)備，遙控距離受限于遙控器傳輸距離或者數(shù)傳的通信距離，這種受控方式的飛行器在商業(yè)應(yīng)用上顯得十分有限。軟件化控制將在自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域成為四旋翼飛行器未來控制方式的主流。借助較為成熟的全球定位系統(tǒng)GPS，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，四旋翼飛行器的軟件自動(dòng)控制將為四旋翼飛行器的應(yīng)用增加便利。

對(duì)于四旋翼飛行器來說，GPS定位技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得各種類型的四旋翼飛行器能夠進(jìn)一步脫離遙控器直至最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的穩(wěn)定飛行，以完成人們?cè)诟鞣N如勘探礦井、地震救災(zāi)、電視電影特定角度拍攝等領(lǐng)域的應(yīng)用。如今，高精度的GPS模塊已經(jīng)成功運(yùn)用在如ArduPilotMega飛控的四旋翼飛行器上，這使得基于GPS的四旋翼飛行器自動(dòng)飛行變得更加成熟。因此，在成熟的飛行控制方案下的四旋翼飛行器的二次開發(fā)，具有十分重要的意義。

1 總設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)針對(duì)四旋翼飛行器的自動(dòng)返航任務(wù)，根據(jù)現(xiàn)有的ArduPilotMega飛行控制板，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在Windows操作系統(tǒng)上，使用VisualStudio2013基于C#編寫的控制軟件，實(shí)現(xiàn)控制軟件對(duì)四旋翼飛行器的飛行監(jiān)控，定時(shí)地接受并顯示飛行器的坐標(biāo)等信息，在窗口百度地圖上進(jìn)行顯示，并在GPS定位功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的模式轉(zhuǎn)換，并自動(dòng)返航。

系統(tǒng)主要包含三個(gè)主要的部分：基于GPS的四旋翼飛行器自動(dòng)返航系統(tǒng)包括機(jī)載飛行控制板、實(shí)現(xiàn)模式控制及GPS數(shù)據(jù)采集回傳的機(jī)載控制系統(tǒng)、客戶端軟件系統(tǒng)部分，如圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)首先進(jìn)行各個(gè)模塊的選擇：1）飛行控制板選擇ArduPilotMega飛行控制板支持的功能十分眾多、豐富，包括基于陀螺儀的自穩(wěn)功能、基于GPS的定高功能、PID解算姿態(tài)角控制等，并且支持穩(wěn)定的地面站系統(tǒng)，預(yù)留有三個(gè)串行接口，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，故障率較低，是目前市場(chǎng)上最為普遍的飛控。因此飛行控制板選擇了V2.8版本的ArduPilotMega飛行控制板，其可選用的三個(gè)串行接口適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，十分適宜進(jìn)行二次開發(fā)使用。2）外接GPS模塊的選擇 LEA-6H作為一個(gè)增強(qiáng)型GPS接收模塊，還支持GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，精度較其他型號(hào)的GPS模塊高很多。兩個(gè)獨(dú)立的GPS模塊由于位置相同，故可以實(shí)現(xiàn)飛行器飛行位置的正確采集及回傳。3）核心處理器的選擇核心控制器選擇了具有兩個(gè)串行接口的新一代M3內(nèi)核的微控制器——STM32F103R微處理器。4）GSM模塊的選擇四旋翼飛行器上的控制系統(tǒng)需要與用戶軟件進(jìn)行通信，GTM900C模塊是一款面向工業(yè)應(yīng)用的GSM模塊，能兼容TC35模塊，并且兼容通用的AT指令集，具有標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡接口，可外接射頻天線。

機(jī)架是一個(gè)四旋翼飛行器的主要部分。四旋翼飛行器可以成兩個(gè)部分：其核心是飛行控制板即飛控系統(tǒng)，另一部分是四旋翼飛行器的無刷電機(jī)及其對(duì)應(yīng)的機(jī)槳，而這兩個(gè)主要部分都由四旋翼機(jī)架進(jìn)行承載。系統(tǒng)選用的四旋翼機(jī)架如圖2。

四旋翼機(jī)架由于占據(jù)四旋翼飛行器很大一部分重量，因此其重量將成為一個(gè)十分重要的考量因素。本次設(shè)計(jì)采用華杰HJ-6504折疊四旋翼機(jī)架，其具有較大的尺寸同時(shí)提供較輕的重量，并且完美適配各類無刷電機(jī)及電調(diào)。除了機(jī)架之外，四旋翼飛行器還應(yīng)包括旋槳葉片，電機(jī)以及電池等元件。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶啟動(dòng)軟件時(shí)，界面將加載各個(gè)控件及內(nèi)容，形成一個(gè)可視化的交互界面。軟件窗體界面調(diào)用webBrowser瀏覽器控件，通過腳本調(diào)用的方式，調(diào)用百度地圖接口，載入初始化的百度地圖，并且初始化載入事件Form_Load對(duì)窗口界面進(jìn)行初始化，添加下拉列表的串口選擇。

通過調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)地圖功能。由于軟件界面中的地圖顯示是通過C#調(diào)用Javascript腳本訪問的方式實(shí)現(xiàn)的，因此必須在網(wǎng)頁文件中添加對(duì)應(yīng)的functionn函數(shù)，并進(jìn)行百度地圖的初始化。將網(wǎng)頁文件添加至項(xiàng)目工程的debug目錄下。使用webBrowser控件可以直接打開網(wǎng)頁文件，并載入地圖。

“開始服務(wù)”按鍵可以啟動(dòng)軟件與四旋翼飛行器板載的飛控板進(jìn)行通信，即用戶軟件開始監(jiān)聽指定的端口，等待四旋翼飛行器端的TCP通信連接。首先應(yīng)建立一個(gè)新的線程，用于端口的監(jiān)聽，并設(shè)置好端口號(hào)，經(jīng)由各個(gè)控件實(shí)現(xiàn)信息的交互變化，以實(shí)現(xiàn)人性化的交互：

4 調(diào)試與測(cè)試

本系統(tǒng)硬件構(gòu)成部分由集成模塊進(jìn)行搭建，控制系統(tǒng)搭接如圖3。STM32微處理器由最小集成系統(tǒng)的兩個(gè)串口分別接GTM900C模塊和GPS模塊即可。電源部分由四旋翼飛行器機(jī)載電池進(jìn)行供電。通常串口通信可簡(jiǎn)單地由3根不同的傳輸線進(jìn)行連接，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的串行通信。這三根線包括GND接地線、信號(hào)輸入線和信號(hào)輸出線。在此我們將兩個(gè)模塊的地線接到STM32板的地線接口，然后另外的輸入輸出線分別連接STM32的兩個(gè)串行輸入輸出線即可。

整體系統(tǒng)搭建起來后，用戶可以僅僅依靠用戶端軟件對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行控制，在飛控寫入航點(diǎn)任務(wù)后，可以通過切換模式的方式進(jìn)行航點(diǎn)飛行任務(wù)?；贕PS的四旋翼飛行器定位系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面如圖4。

5 總結(jié)與展望

本課題通過一般的GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器和客戶端軟件的通信，利用C#編程語言設(shè)計(jì)客戶端軟件，同時(shí)使用ArduPilotMega自動(dòng)駕駛儀作為四旋翼飛行器的飛行控制板，并定時(shí)接收和顯示四旋翼飛行器的GPS數(shù)據(jù)，并且可以在百度地圖上顯示飛行器的位置，最終實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的自動(dòng)飛行及自動(dòng)返航。

該系統(tǒng)涵蓋了軟件硬件中的多個(gè)方面，其研究具有實(shí)際意義，其應(yīng)用具有工程價(jià)值。面向特定的應(yīng)用中，如邊緣地區(qū)緊急物件的遞送方面，基于GPS的四旋翼飛行器自動(dòng)返航系統(tǒng)將具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王麗欣. 基于GPS/GSM的車輛定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 劉煥曄. 小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2009.

[3] 劉俊成. GPS軟件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[4] 王樹剛. 四旋翼直升機(jī)控制問題研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[5] 姜西瑞. 基于GPS和GSM/GPRS的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所） ，2006.

[6] 李家福. 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué)，2006.

[7] 羅亞非. 基于TCP的Socket多線程通信[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（3）：563-565+598.