【正文】 號(hào) ： II The design of four shaft aircraft navigation system based on GPS Abstract： To perform tasks,four shaft aircraft must be remote artificially for control or cruise remote control can only plete the task within sight,If want to perform tasks in the place that human inaccessible,Such as disaster area,polar,etc,you must use independent civilian use independent cruise vehicle executable to the disaster investigation rescue mission such as flood, fire or earthquake。 Important facilities continuous monitoring。Regional airtoground, airtomarine munication relay。if we need get to specific areas for daily environment monitoring,Also can use this return after be automatic search and automatic record store data,greatly reduce the manpower cost. This paper puts forward a method of simple four shaft vehicle navigation system design and implementation which based on system can receive and analyze GPS positioning information that we need,and storage positioning coordinate easily,and autonomous navigation, simulate and then display on the also can measurable flight distance and get accurate satellite time. Introduces the position,positioning error,data receiving of GPS system,and method of parameter extraction,and the establishment of the LCD screen fonts,and the application of characters I2C bus practical the serial transmission technology.. Keywords： GPS。 Autonomous navigation Classification: III 目錄 摘要 ............................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。人工遙控導(dǎo)航飛行只能在視野范圍內(nèi)進(jìn)行 ， 如果四軸飛行器要執(zhí)行視野范圍 外的 任務(wù) ，就 必須自主導(dǎo)航。 而現(xiàn)今的 全球定位系統(tǒng) GPS，擁有 全天候、全球性、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力， 并且 重量 和 體積 也非常適合無人四軸飛行器，同時(shí) 價(jià)格 也相當(dāng) 便宜 ，一塊成品的 GPS 模塊一般也就 100 人民幣左右， 因而 GPS 在航空 導(dǎo)航 、航海 導(dǎo)航以及 地面 導(dǎo)航 等 方面應(yīng)用非常廣。 用于 民用型的自主巡航飛行器可 執(zhí)行 災(zāi)情調(diào)查救援任務(wù) 如 水災(zāi)、火災(zāi)、地震等；噴灑農(nóng)田、林區(qū)農(nóng)藥；監(jiān)測(cè)化工廠等 危險(xiǎn) 場(chǎng)所 的危險(xiǎn) 氣體 的 濃度；巡查輸油管線、輸電線路；連續(xù)監(jiān)控重要 的 設(shè)施；區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼；當(dāng)對(duì)特定地區(qū)進(jìn)行日常環(huán)境監(jiān)測(cè) 的時(shí)候 ，用這種飛行器 來執(zhí)行也很方便和高效 ，自 主 巡查完后 可以 自動(dòng)返回目的地 并自動(dòng)記錄 下 存儲(chǔ) 的 數(shù)據(jù)，大大減少 了 人力成本。 本文討論了一種簡(jiǎn)單的基于 GPS 的無人飛行器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 據(jù) 相關(guān)人員介紹 ，較大的 四軸飛行器最長(zhǎng)可在 4 小時(shí)中持續(xù)執(zhí)行任務(wù)，并且速度可以達(dá)到 每 小時(shí) 100 公里 ， 起飛 時(shí)的自身 重量 為 120 公斤，并負(fù)擔(dān) 有效載荷 40 公斤； 而 較小 一點(diǎn)的飛行器擁有最長(zhǎng) 2 小時(shí)的續(xù)航時(shí)間， 最大巡 2 航速度 可達(dá) 每小時(shí) 70 公里，起飛 是的自身 重量 僅僅 40 公斤， 同時(shí)負(fù)擔(dān) 14 公斤 的有效載荷 。 該四軸 飛行機(jī)器人由機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室歷經(jīng)近 4 年 的 時(shí)間自主研發(fā)成功，技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同期先進(jìn) 水平。目前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了防爆排險(xiǎn)機(jī)器人、工業(yè) 制造 機(jī)器人、蛇形 仿生 機(jī)器人、 深水 機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人等多項(xiàng)重要研究成果。 (如圖 11) 圖 11德國(guó) MD4200飛行器 機(jī)體采用碳塑材料，因而它兼具輕巧和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，同時(shí)該材料也使 MD4200可以抗電磁干擾。通過使用 4個(gè)同步無刷直驅(qū)電馬達(dá)，飛行器的噪音非常小 (當(dāng)轉(zhuǎn)速小于 2020轉(zhuǎn) /分鐘，在 3米處噪音小于 63分貝 )。 MD4200還具有安全保護(hù)措施以避免墜毀，它能夠在電量不足和失去控制信號(hào)時(shí)自主降落。 2020年 4月在德國(guó)上市以來，短短的 16個(gè)月里，在歐洲已經(jīng)銷售了超過 250套 MD4200四旋翼飛行器系統(tǒng)，它們被用于許多不同領(lǐng)域：航空攝影、空中考古、空中監(jiān)視、植被調(diào)查、消防救災(zāi)、邊境控制、警察、特種部隊(duì)和軍隊(duì)等等。 GPS 系統(tǒng)主要由三大部分組成，即用戶設(shè)備部分以及空間星座部分和地面監(jiān)控部分組成。普金斯 (johns hopkins)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室來研究和發(fā)展衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 NNSS(navy navigation satellite system)系統(tǒng)。 1959 年 9 月，一顆實(shí)驗(yàn)性衛(wèi)星在美國(guó)發(fā)射， 5 年的研究與測(cè)試后，即 1964 年，建成了 NNSS 系統(tǒng)。為了給民間組織和軍 事部門提供實(shí)時(shí)的三維定位導(dǎo)航，在 1973 年，美國(guó)國(guó)防部就開始著手研究和建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是目前應(yīng)用非常廣泛的“授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)或稱全球定位系統(tǒng)” (navigation system timing and ranging/global positioning system—— NAVSTAR/GPS)，通常簡(jiǎn)稱為全球定位系統(tǒng) (GPS)。雖然GPS 系 統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展是具有非常重大的意義，卻不能滿足軍事上高精度高穩(wěn)定性的苛刻要求。 然而在耗掉 200 多億美元與 20 多年的時(shí)間后，終于在 1994 年全面建設(shè)完成了GPS 系統(tǒng)。 1973 年到 1979 年間，美國(guó)政府一共發(fā)射了 4 顆試驗(yàn)型衛(wèi)星。 第二階段：全方面研制以及試驗(yàn)。在實(shí)際測(cè)試中， GPS 的定位精度甚至遠(yuǎn)超乎設(shè)計(jì)者的預(yù)想。 1989 年 2 月 4 日，第一顆 GPS 工作衛(wèi)星被送人軌道， GPS系統(tǒng)的建成進(jìn)入最后的階段。 4 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介 在機(jī)載單片機(jī)上輸入一系列 GPS 坐標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)生成相應(yīng)航線，同時(shí)從機(jī)載 GPS系 統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)，并與存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)做實(shí)時(shí)比對(duì)，實(shí)時(shí)修正航線，并將定位坐標(biāo)顯示在液晶顯示屏上，處理并顯示當(dāng)前位置。 顯示界面采用 11264點(diǎn)陣液晶顯示屏 顯示 GPS 芯片接收到的定位數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)以及單片機(jī)發(fā)出的導(dǎo)航數(shù)據(jù) ，它是 112 行 64 列 點(diǎn)陣 型液晶顯示模塊。該模塊的優(yōu)勢(shì)是對(duì)漂移的處理，功耗在 30 毫安，通訊方式是 RS232(波特率 4800)，具有并行 12 通道，可同步跟蹤12 顆衛(wèi)星 。 設(shè)置兩個(gè)按鍵，用以切換不同界面以及設(shè)置目的地坐標(biāo)。 圖 21 硬件原理圖 處理器的選擇 89C51 系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 嵌入式處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)中最核心， 也是 最關(guān)鍵的部分，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的要求、體積、成本等因素選擇合適的處理器。 P89C51X2 具有 128 字節(jié) 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， P89C52X2/58X2 具有 256 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，都具有 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ，以及 32 條 I/O 口 ， 可用于多機(jī)通信、 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART， 此外，由于器件采用 了 靜態(tài)設(shè)計(jì) 的方案 ，時(shí)鐘停止 但 用戶數(shù)據(jù) 不會(huì)丟失，也 可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。 該系列單片機(jī)擁有 6 由軟件選擇的 三個(gè)模式，分別為 空閑模式 ， 節(jié)電模式 以及 掉電模式。掉電模式 則會(huì)保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的內(nèi)容，但是 會(huì)將 振蕩器 凍結(jié) ， 這會(huì) 導(dǎo)致所有的 其它 片內(nèi)功能 將 停止工作 。 GND：接地。 在校驗(yàn) FIASH 時(shí)， P0作為 原碼 輸出口 ，此時(shí) P0必須 通過 外部被拉高 ，也就是說要外接上拉電阻 。 當(dāng) P0口的管腳第一次寫 1時(shí)， 就會(huì)被 定義為 高阻 輸入。 P1 口：輸出 的 4 個(gè) TTL 門電流 能被 P1 口 的 緩沖器接收。 P1 口管腳寫入 1 后，被 自身 上拉為高 電平 ，可用 為 輸入，由于內(nèi)部上拉的緣故 ，外部 將 P1 口下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。 P2 口為一個(gè) 8 位 的自身提供 上拉電阻的雙向 I/O 口 。并因此作為輸入時(shí)，由于內(nèi)部上拉的緣故 ，當(dāng) 外部 將 P2 口的管腳拉至低電平 ，將輸出電流。在 校驗(yàn)和編程 FLASH 時(shí) P2 口接收地址信號(hào)和控制信號(hào) 的 高八位。 P3 口： 4 個(gè) TTL 門電流 可由 P3 口 的 管腳輸出 并 接收， P3 口 有 8 個(gè) 自身提供 上拉電阻的雙向 I/O 口。當(dāng) P3 口寫“ 1” 時(shí) ， 因?yàn)樽陨砟芴峁?上拉 電阻， P3 口將輸出電流 (ILL)， 它們被 自身 上拉 成 高電平， 這是可作為 輸入。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器 (0000HFFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ， 在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源(VPP)。 XTAL1 和 XTAL2：反向振蕩放大器的輸入 輸出引腳 及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入輸出引腳 。 將 RST 腳 間保持 兩個(gè)機(jī)器周期的高電平 時(shí)間，單片機(jī)將被復(fù)位 。然而用 于 外部 RAM 時(shí)，將 會(huì) 跳過一個(gè) ALE脈沖。 這個(gè)時(shí)候 ， ALE 只有在執(zhí)行 MOVC 和 MOVX 指令 時(shí) 才 能 起 到一定的 作用。 /PSEN：外部 ROM 的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的時(shí)候 ，將不 會(huì) 出現(xiàn)這 樣的 有效 /PSEN 信號(hào)。該模塊采用聯(lián)發(fā)科技公司 (MTK)所設(shè)計(jì)的低耗電量芯片 MT3318。該模塊通訊方式是 RS232(波特率4800)，具有并行 12 通道，可同步跟蹤 12 顆衛(wèi)星，定位精度高，體積小，功耗低。 工作電壓： + 至 +5v； 功耗：跟蹤模式 電壓下小于 35mA； 更新接收：每秒鐘 (1pps)； 外形體積尺寸 ： **3mm； 重量： 3g； 圖 24GPS 模塊實(shí)物 11 GPS 衛(wèi)星信號(hào) GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文是通過兩個(gè)載波頻 L1 為 ， L2 為 1227MHz向地面發(fā)射帶寬 F=50Hz，傳遞速率是 50bit/s 的基帶信號(hào)，即一組不歸零制二進(jìn)制編碼脈沖 D(t)。采用正交方式調(diào)制，在載波 L1 上調(diào)制了兩種碼 (P 碼和 C/A 碼 )，而在載波 L2 上只調(diào)制了一種偽碼 (P 碼 )。第一級(jí)是將 D(t)，碼調(diào)制 C/A 碼和 P 碼，實(shí)現(xiàn)對(duì) D(t)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻。 GPS 定位誤差 在我們利用 GPS 進(jìn)行衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的時(shí)候，會(huì)受到很多干擾。 SA 干擾誤差是美國(guó) 國(guó)防部為之國(guó)家安全而防止非特許 用戶利用 GPS 進(jìn)行高精度 定點(diǎn) 點(diǎn)定位而采用的降低 GPS 系統(tǒng)精度的 一系列 政策，簡(jiǎn)稱 為 SA 政策，它包括降低廣播星 歷精度和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機(jī)抖動(dòng)使鐘的頻率產(chǎn)生快慢變化 ， 導(dǎo)致測(cè)距精度大衛(wèi)降低。 (2)星歷誤差是 GPS 測(cè)量誤差的重要來源 ， 衛(wèi)星星歷誤差 衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實(shí)際位置間的偏差 。它是一種起始 的 數(shù)據(jù)誤差 ， 其 誤差 大小 由 觀測(cè)值衛(wèi)星跟蹤站數(shù)量、空間分布的數(shù)量 以及精度、軌道計(jì)算時(shí)所用的軌道模型及 定軌軟件的完善程度等 決定 。 (4)衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星鐘差是指 GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與 GPS 衛(wèi)星時(shí)鐘的差別。 12 LCD 顯示模塊介紹 LCD11264 是一種圖形點(diǎn)陣液晶串口顯示屏， 點(diǎn)陣數(shù) 112*64，可以顯示 4*7 行 16*16的漢字。 圖 25 屏幕機(jī)械圖 13 LCD 顯示屏引腳介紹： 圖