基于ARM9的無人機機載后差分系統(tǒng)設計

曹勇

摘要； 采用具有ARM9內核的NXPIMX28實現(xiàn)無人機機載高精度差分系統(tǒng)，通過Septentrio M2高精度定位定向板卡獲取高精度的無人機航向與定位數(shù)據(jù)，結合無人機機載攝像機與GNSS EVENT事件接口能夠獲取無人機拍照瞬時的位置信息，從而為后續(xù)無人機航測提供高精度定位數(shù)據(jù)。設計的特點在于采用高精度定向板卡的RTK（實時差分動態(tài)定位技術）功能為無人機提供高精度的定位數(shù)據(jù)，同時采用PPK（動態(tài)測量后處理）技術結合GNSS板卡EVENT事件功能獲取拍照瞬間的位置信息，能夠有效的滿足市場無人機對高精度定位定向和高精度航測的需求。

【關鍵詞】定位定向 實時差分動態(tài)技術 動態(tài)測量后處理技術 無人機航測

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，精確的位置信息變得越來越重要，能讓無人機實現(xiàn)真正的無人自動飛行等智能應用。因此，RTK（實時差分動態(tài)定位技術）定位技術逐漸被應用到無人機領域中。正是因為RTK賦予了無人機實時獲取高精度空間位置信息的能力，無人機在未來的行業(yè)應用中將更精準的完成更復雜的任務。這也是區(qū)分航拍無人機與行業(yè)無人機的重要指標之一。目前高質量的RTK在小范圍或者開闊的區(qū)域，理想作業(yè)半徑可以達到lOkm，但在實際作業(yè)中，由于受到電臺功率及數(shù)據(jù)鏈傳輸質量的影響，有效距離比標稱的要小很多，所以在大范圍無人機航測工作中，RTK的優(yōu)勢就不太明顯，動態(tài)測量數(shù)據(jù)后處理PPK技術（Post Processing Kinematic）因此應運而生。作為RTK技術的重要發(fā)展，PPK采用快速求整周模糊度的技術，利用2-5個歷元觀測值就可以得到厘米級的三維坐標，不受通訊及地形的限制，且作業(yè)半徑可以達到60km以上。機載后差分系統(tǒng)配合無人機航姿系統(tǒng)和影像采集系統(tǒng)組成高精度無人機高精度航測系統(tǒng)，可以在極少的相控點情況下完成1：500比例尺的高精度航測任務，極大地提高無人機高精度航測的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設計及工作原理

無人機機載后差分系統(tǒng)由ARM9硬件平臺、高精度GNSS板卡、電臺通信電路、以及數(shù)碼相機拍照同步電路等部分組成。系統(tǒng)的工作原理為：利用3星6頻GNSS板卡的高精度定位技術與Events Mark技術，結合航測相機的閃光燈信號特點獲取航測相機拍照瞬間對應的高精度位置信息，即照片的位置信息，從而通過后處理技術獲取航空攝影測量厘米級精度。GNSS高精度板卡通過CORS網(wǎng)絡或電臺獲取差分數(shù)據(jù)源進行差分為無人機提供厘米級高精度定位信息，同時板卡能提供高達100HZ原始數(shù)據(jù)供后處理軟件使用；航空相機拍照通過有線同步閃光燈可以實現(xiàn)與照片的微秒級高速同步，拍照瞬間閃光燈信號是一個1.8V的邊沿觸發(fā)上升沿信號，本系統(tǒng)采用的Septentrio板卡擁有Events Mark技術，板卡Events端口可以捕獲上升沿信號并結合定位衛(wèi)星時間提供觸發(fā)瞬間納秒級時間信息，通過閃光燈信號與板卡EVENT端口連接，拍照瞬間板卡就會輸出信號觸發(fā)的時間，即航空拍照相片的時間，閃光燈觸發(fā)的時間結合板卡的原始數(shù)據(jù)利用PPK動態(tài)后處理技術就可以解算出照片的成片瞬間的位置信息，為后續(xù)的航空攝影空三處理提供照片準確的位置信息，從而實現(xiàn)高精度的航測任務。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)主控電路設計

NXP（恩智浦）的ARM9 IM28系列高性能數(shù)字信號控制器被廣泛應用于汽車電子，醫(yī)療器械，便攜式檢測儀表等領域。IMX28具有ARM9內核，運行頻率454MHz，128K字節(jié)的內嵌SRAM和ROM，支持205MHz的DDR2外部內存，可以外接大容量的MLCnand flash和TF卡，芯片擁有帶有PHY的USB2.0接口，可以外接GNSS板卡實現(xiàn)100HZ的原始數(shù)據(jù)的接收和存儲，配合良好的開發(fā)環(huán)境和最高可達85℃的運行環(huán)境溫度，故本系統(tǒng)選擇IM28X作為主控器控制器芯片。在設計IM28X的最小系統(tǒng)時采用USB下載編程，通過MFG上位機軟件完成代碼的燒寫與更新。

2.2 拍照同步電路

拍照同步電路主要是信號電平轉換和降噪。本部分電路的設計本著小型化的原則，選用SN74LVC2G34和PI4ULS5V202芯片。PI4ULS5V202是是一款2位可配置的雙電源雙自適應的電平轉換器，實現(xiàn)了閃光燈與板卡之間1.8V和3.3V的電平轉換，相機的閃光燈信號是1.8V，板卡Event接口輸入電壓需要3.3V，所以需要進行電平轉換。SN74LVC2G34S是德州儀器的一款增強型雙路緩沖器邏芯片，實現(xiàn)信號的降噪，芯片采用節(jié)省空間的8引腳SOIC封裝；功耗低，在輸入電壓3.3V下功耗典型值可低至69uW。此部分電路經(jīng)過室內和機艙環(huán)境下長時間的測試，可以有效地去除噪聲，穩(wěn)定地接收閃光燈信號并轉發(fā)給GNSS板卡識別和處理。具體電路如圖1。

相機閃光時間設為1/128閃光，所以脈沖的時間為

T= 1/34000秒

經(jīng)過校準后此系統(tǒng)的曝光信號滿足相機設置精度。

2.3 GNSS板卡電路

GNSS板卡采用Septentrio的M2板卡，板卡支持GPS，BDS，GLONASS。三星的Ll，L2頻段，具有抗干擾電路，能有效屏蔽外界對衛(wèi)星信號的干擾，板卡可以實現(xiàn)100Hz原始數(shù)據(jù)的采集和本地存儲，同時支持USB接口的數(shù)據(jù)收發(fā)。M2板卡被廣泛第應用無人機航測系統(tǒng)和工程施工系統(tǒng)中，有著極強的抗干擾性和穩(wěn)定，有利地解決了無人機機載電磁復雜環(huán)境下的高精度定位問題，板卡的運行問題在-20℃-85℃，保障了無人機正常環(huán)境的下運行。GNSS板卡電路包含板卡的供電電路和接口輸入輸出電路，板卡供電電路需要提供3.3V的模塊電源和5.ov的外接天線電源，輸入和輸出接口電路包含USB接口以及板卡配置和輸出的串口電路，以及板卡復位接口。USB接口用于板卡原始數(shù)據(jù)和Event事件時間包數(shù)據(jù)的接收和存儲，實現(xiàn)本地存儲和外部存儲雙存儲機制，保障數(shù)據(jù)的安全。

串口電路完成板卡的信息配置，板卡差分數(shù)據(jù)的輸出，以及提供飛控系統(tǒng)差分后端定位數(shù)據(jù)，復位接口用于調試板卡時進行帶電復位。

具體電路如圖2所示。

2.4 電臺通信模塊

無人機系統(tǒng)需要利用電臺實現(xiàn)無人機與地面站的實時通信，以及GNSS差分數(shù)據(jù)的轉發(fā)，本系統(tǒng)采用的Microhard廠家生產(chǎn)的900MHZ的P900電臺。P900電臺擁有四級濾波高效抗干擾功能，空中速率達到276kbps，有效空中傳播距離高達60KM，被工業(yè)無人機行業(yè)廣泛使用。電臺通信電路包括數(shù)據(jù)收發(fā)串口和電源輸入，具體電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 總體軟件設計方案

本系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)配置軟件和PPK后處理解算軟件?；贗MX28平臺基于LINUX開發(fā)系統(tǒng)的配置軟件，主要功能模塊：GNSS板卡初始化與配置，GNSS板卡數(shù)據(jù)的接收與存儲，電臺數(shù)據(jù)的接收與轉發(fā)，以及系統(tǒng)用戶交互模塊。具體系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

后處理軟件的工作步驟為，首先需要導入無人機板卡輸出的原始數(shù)據(jù)包，Event事件時間包與姿態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，以及地面靜態(tài)接收機同步記錄的原始數(shù)據(jù)，軟件完成導入數(shù)據(jù)的校驗后輸出初步的航跡航點數(shù)據(jù)，然后客戶輸入無人機的機體和天線的位置偏差信息以及相機的基本延時屬性后進行三星聯(lián)合PPK后處理差分解算，結算出板卡原始數(shù)據(jù)歷元對應的固定解坐標值，最后利用內插法解算出拍照時間點對應的位置信息和姿態(tài)信息，并數(shù)據(jù)兼容常用空三軟件的數(shù)據(jù)報告。

三星聯(lián)合PPK后處理差分解算模塊是軟件系統(tǒng)的核心。后處理模塊采取模塊化設計，包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)解算、自動優(yōu)化、成果輸出等部分，由于軟件要求解算所有歷元解，所以軟件采取動態(tài)相對定位解算來滿足要求。模型解算采取Kahnan濾波（軟件具體采用了擴展Kalman濾波，即EKF）方法，逐歷元進行解算。對于動態(tài)相對定位模型解算，采用“單差模糊度估計”與“雙差模糊度固定”相結合的方式進行解算，即：首先構建基于單差模糊度參數(shù)估計的觀測模型，并采用Kalman濾波進行實時估計，得到一組單差模糊度，再選擇參考衛(wèi)星，通過投影變換得到相應的雙差模糊度，再利用LAMBDA算法進行模糊度固定。進行模糊度固定，采用基于協(xié)因數(shù)陣的部分模糊度固定策略：

首先同樣對全部模糊度進行LAMBDA固定，若不通過Ratio～F（n，n）檢驗，則禁用協(xié)因數(shù)陣對角線元素最大的衛(wèi)星，重新進行解算，并以此進行迭代，直到通過Ratio～F（n，n）檢驗；若可用衛(wèi)星少于5顆時，則認為固定失敗。

本系統(tǒng)通過后PPK處理軟件解算固定率99%以上，滿足本系統(tǒng)需求精度。

4 結語

本課題介紹了基于ARM9實現(xiàn)無人機機載差分系統(tǒng)的設計方法。系統(tǒng)基于相機的閃光燈高速同步信號和板卡的Event Mark功能，利用PPK后處理差分技術完成無人機機載差分系統(tǒng)的硬件電路和安全性設計。在數(shù)據(jù)解算過程中，通過使用PPK動態(tài)后處理技術，解決了無人機對高精度定位信息的實時需求，同時也解決無人機航測系統(tǒng)相片與高精度位置信息的同步問題，為無人機高精度航測應用提供技術保障。

參考文獻

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