【正文】 KDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK 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: DHJKSDH JD JKHFJKDSH JKDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK 目錄 摘要 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。人工遙控導航飛行只能在視野范圍內進行，如果四軸飛行器要執(zhí)行視野范圍外的任務，就必須自主導航。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，同時價格也相當便宜，一塊成品的 GPS 模塊一般也就 100 人民幣左右，因而 GPS 在航空導航、航海導航以及地面導航等方面應用非常廣。 用于 民用型的自主巡航飛行器可 執(zhí)行災情調查救援任務如水災、火災、地震等；噴灑農田、林區(qū)農藥；監(jiān)測化工廠等危險場所的危險氣體的濃度；巡查輸油管線、輸電線路；連續(xù)監(jiān)控重要的設施；區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼；當對特定地區(qū)進行日常環(huán)境監(jiān)測的時候，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返回目的地并自動記錄下存儲的數(shù)據(jù)，大大減少了人力成本。 本文討論了一種簡單的基于 GPS 的無人飛行器自主導航系統(tǒng)的實現(xiàn)。據(jù)相關人員介紹，較大的四軸飛行器最長可在 4 小時中持續(xù)執(zhí)行任務，并且速度可以達到每 小時 100 公里，起飛時的自身重量為 120 公斤，并負擔有效載荷 40 公斤；而較小一點的飛行器擁有最長 2 小時的續(xù)航時間，最大巡DHJKSDH JD JKHFJKDSH JKDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK 航速度可達每小時 70 公里，起飛是的自身重量僅僅 40 公斤，同時負擔 14 公斤的有效載荷。 該四軸飛行機器人由機器人學國家重點實驗室歷經(jīng)近 4 年的時間自主研發(fā)成功，技術水平已經(jīng)達到國際同期先進 水平。目前，實驗室已經(jīng)取得了防爆排險機器人、工業(yè)制造機器人、蛇形仿生機器人、深水機器人、網(wǎng)絡機器人等多項重要研究成果。 (如圖 11) 圖 11德國 MD4200飛行器 機體采用碳塑材料，因而它兼具輕巧和高強度的特點，同時該材料也使 MD4200可以抗電磁干擾。通過使用 4個同步無刷直驅電馬達，飛行器的噪音非常小 (當轉速小于 2020轉 /分鐘，在 3米處噪音小于 63分貝 )。 MD4200還具有安全保護措施以避免墜毀，它能夠在電量不足和失去控制信號時自主降落。 2020年 4月在德國上市以來，短短的 16個月里，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域：航空攝影、空中考古、空中監(jiān)視、植被調查、消防救災、邊境控制、警察、特種部隊和軍隊等等。 GPS 系統(tǒng)主要由三大部分組成，即用戶設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)大學物理實驗室來研究和發(fā)展衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，稱為美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)，簡稱 NNSS(navy navigation satellite system)系統(tǒng)。 1959 年 9 月，一顆實驗性衛(wèi)星在美國發(fā)射， 5 年的研究與測試后，即 1964 年，建成了 NNSS 系統(tǒng)。為了給民間組織和軍 事部門提供實時的三維定位導航，在 1973 年，美國國防部就開始著手研究和建立新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也就是目前應用非常廣泛的“授時與測距導航系統(tǒng)或稱全球定位系統(tǒng)” (navigation system timing and ranging/global positioning system—— NAVSTAR/GPS)，通常簡稱為全球定位系統(tǒng) (GPS)。雖然GPS 系 統(tǒng)對導航定位技術的發(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 多年的時間后，終于在 1994 年全面建設完成了GPS 系統(tǒng)。 1973 年到 1979 年間，美國政府一共發(fā)射了 4 顆試驗型衛(wèi)星。 第二階段：全方面研制以及試驗。在實際測試中， GPS 的定位精度甚至遠超乎設計者的預想。 1989 年 2 月 4 日，第一顆 GPS 工作衛(wèi)星被送人軌道， GPS系統(tǒng)的建成進入最后的階段。 DHJKSDH JD JKHFJKDSH JKDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK 系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)功能簡介 在機載單片機上輸入一系列 GPS 坐標點，自動生成相應航線，同時從機載 GPS系 統(tǒng)中讀取定位數(shù)據(jù)，并與存儲的定位坐標做實時比對，實時修正航線，并將定位坐標顯示在液晶顯示屏上，處理并顯示當前位置。顯示界面采用 11264點陣液晶顯示屏顯示 GPS 芯片接收到的定位數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)以及單片機發(fā)出的導航數(shù)據(jù)，它是 112 行 64 列點陣型液晶顯示模塊。該模塊的優(yōu)勢是對漂移的處理，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 。設置兩個按鍵，用以切換不同界面以及設置目的地坐標。 圖 21 硬件原理圖 處理器的選擇 89C51 系列單片機簡介 嵌入式處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)中最核心，也是最關鍵的部分，應根據(jù)系統(tǒng)應用的要求、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)存儲器， P89C52X2/58X2 具有 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，都具有片內振蕩器和時鐘電路，以及 32 條 I/O 口，可用于多機通信、 I/O 擴展或全雙工 UART， 此外，由于器件采用了靜態(tài)設計的方案，時鐘停止但用戶數(shù)據(jù)不會丟失，也可從時鐘停止處恢復。該系列單片機擁有DHJKSDH JD JKHFJKDSH JKDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK 由軟件選擇的三個模式，分別為空閑模式，節(jié)電模式以及掉電模式。掉電模式則會保存數(shù)據(jù)存儲器的內容，但是會將振蕩器凍結，這會導致所有的其它片內功能將停止工作。 GND：接地。在校驗 FIASH 時， P0作為原碼輸出口，此時 P0必須通過外部被拉高，也就是說要外接上拉電阻。當 P0口的管腳第一次寫 1時，就會被定義為 高阻 輸入。 P1 口：輸出的 4 個 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，由于內部上拉的緣故，外部將 P1 口下拉為低電平時，將輸出電流。 P2 口為一個 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，由于內部上拉的緣故，當外部將 P2 口的管腳拉至低電平，將輸出電流。在 校驗和編程 FLASH 時 P2 口接收地址信號和控制信號的高八位。 P3 口： 4 個 TTL 門電流可由 P3 口的管腳輸出并接收， P3 口有 8 個自身提供上拉電阻的雙向 I/O 口。當 P3 口寫“ 1”時，因為自身能提供上拉電阻， 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 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 (0000HFFFFH)，不管是否有內部程序存儲器，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部時鐘工作電路的輸入輸出引腳。將 RST 腳間保持兩個機器周期的高電平時間，單片機將被復位。然而用于外部 RAM 時，將會跳過一個 ALE脈沖。這個時候， ALE 只有在執(zhí)行 MOVC 和 MOVX 指令時才能 起到一定的作用。 /PSEN：外部 ROM 的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，將不會出現(xiàn)這樣的有效 /PSEN 信號。該模塊采用聯(lián)發(fā)科技公司 (MTK)所設計的低耗電量芯片 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 模塊實物 DHJKSDH JD JKHFJKDSH JKDFHJK HJFKDHJK JKDHFJH JDKFHJK HFJKDHJ KDHFJH JDHSJK JK GPS 衛(wèi)星信號 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導航電文是通過兩個載波頻 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，即一組不歸零制二進制編碼脈沖 D(t)。采用正交方式調制，在載波 L1 上調制了兩種碼 (P 碼和 C/A 碼 )，而在載波 L2 上只調制了一種偽碼 (P 碼 )。第一級是將 D(t)，碼調制 C/A 碼和 P 碼，實現(xiàn)對 D(t)的偽隨機碼擴頻。 GPS 定位誤差 在我們利用 GPS 進行衛(wèi)星定位和導航的時候，會受到很多干擾。 SA 干擾誤差是美國 國防部為之國家安全而防止非特許 用戶利用 GPS 進行高精度 定點 點定位而采用的降低 GPS 系統(tǒng)精度的 一系列 政策，簡稱 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抖動使鐘的頻率產(chǎn)生快慢變化 ， 導致測距精度大衛(wèi)降低。 (2)星歷誤差是 GPS 測量誤差的重要來源 ， 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、軌道計算時所用的軌道模型及 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 標準時