1、 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ARM STM32F405R被用作芯微控制器开发和设计所述多旋翼UAV GPS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
2、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Design of GPS Module based on Multi-rotor UAVAbstract：In this paper, based on the new STM32F4 series, the overall scheme of GPS module of multi-rotor UAV is designed, and the scheme is designed around hardware and software. The hardware platform of GPS module o
3、f multi-rotor UAV is developed and designed with ARM STM32F405R as the core microcontroller. The hardware platform integrates minimum system circuit, serial communication circuit, network line interface circuit, sensor circuit and power supply circuit. The sensor circuit includes sensor circuit, mag
4、netic heading sensor circuit and GPS circuit. The design, welding and debugging of the hardware platform are completed. By a high precision GPS The receiving module and the wireless communication module are composed of the wireless communication module, which is responsible for communicating with th
5、e UAV. After the UAV can stabilize the flight and receive the GPS coordinates of the ground target, the UAV navigation design based on GPS is completed. Enables drones to fly towards the target GPS position.Key words: multi-rotor UAV, GPS, Navigation system 目录1 无人机简介51.1 背景与意义51.2 国内外研究现状51.3论文主要工作6
6、2 GPS 模块硬件设计72.1 GPS 模块选择72.2 接口72.2.1 UART72.2.2 USB72.2.3 显示数据通道（DDC）82.2.4 SPI82.3硬件主要器件选型82.3.1 主控制器82.3.2 传感器92.3.3 磁强计数据采集92.3.4 CAN总线通信硬件102.3.5 GPS 电路设计112.4 PCB布线123 传感器和GPS接收机板123.1 GPS 传感器123.2 GPS 接收机板133.3 GPS 协议133.4 GPS 导航的组成134 GPS 模块软件编程144.1 软件开发环境介绍144.2 软件结构144.3 底层驱动软件的设计与开发154.
7、3.1 系统的启动过程154.3.2 串口驱动的设计164.3.3 CAN 总线驱动设计174.3.4 传感器驱动设计194.4 系统初始化204.5 GPS模块数据采集214.6 GPS 模块软件调试215 总结23参考文献24致谢261无人机简介1.1 背景与意义UAV（unmannedaerialvehicle）即无人机。无人机是无人驾驶飞行器的一种泛称，相对于有人驾驶飞行器而言，无人机实现了无人控制，在飞行时依飞行器的动力装置所获得的升力来抵消飞行器自身的重量，可通过遥控设备或自主飞行来实现复杂的空中飞行任务。在众多的无人机类型中，四旋翼飞行器具有出色的性能，相较于固定翼无人机而言，四
8、旋翼无人机对于起飞条件的要求更低，可实现垂直起降，其机械架构十分加单，具有负载能力强，可实现垂直起飞和降落等优点。由于四旋翼飞行器在飞行控制、结构设计、安装调试等方面的要求较高，因此当前四旋翼飞行器的研究已成为学术界专家学者研究的热点问题之一。世界上首架真正意义上的无人机由美国学者所研发并试飞成功。在上世纪中期，随着自动控制技术和导航技术的逐渐发展，为无人机的出现和研发奠定了基础，同时，多领域的应用需求使其有着无与伦比的发展优势。无人机在当前生产生活中有着较为广泛的应用：从军事层面上而言，可利用无人机完成复杂作战环境下的战场勘查以及现代反恐作战之中；从民用层面上而言，无人机可用于航拍和交通巡逻
9、和救灾等诸多领域1。 相较于固定翼无人机而言，多旋翼无人机的优势体现在下述方面： （1）操作简单。多旋翼UAV可以起飞和垂直降落，和起飞时所用的空气保持稳定的悬停。遥控器的四个通道可以直接控制无人机的前，后，左，右，偏航和升降运动，一般人可以很容易地学会开车。然而，固定翼UAV飞行手需经过系统培训;（2）高的可靠性。多旋翼无人机机械结构简单，其可靠性仅与电机有关。与固定翼和直升机，部件可以移动，长期工作部件可靠; （3）容易维修。结构简单，部件具有良好的互换性，因此在部件受损后可快速更换2。对多旋翼无人机市场持续增长，由于他自己的精确导航系统，多旋翼无人机可以安全航行。导航系统作为核心部件之一
10、对于无人机的飞行可靠性和性能产生重要影响。导航参数包含飞行姿态、GPS位置等信息。近年来，随着市场的发展，无人机的运行变得越来越简单，多转子无人机不具有固定翼无人机的静态稳定性，也没有单旋翼直升机旋转特性。多转子无人驾驶飞机的飞行稳定完全取决于由设计者设计的飞行控制系统上。近年来，出现了为工业应用和多任务多旋翼无人机的飞行控制系统。但这些飞行控制系统大多不稳定，安全可靠。不同的飞行任务，多旋翼无人机会有不同的负载要求，他的飞行控制性能也不同。通常，传统结构的多旋翼无人机，转子数量越多，负载能力越强。无人机飞行控制系统简称无人机飞控系统，这是整个航程过程的核心系统，该系统可以完成整个航程过程中，
11、如起飞，空中飞行，任务执行，并返回到现场恢复。事实上，它类似于谁控制了飞机的专业级的驱动程序。对于无人驾驶飞行器，飞行控制系统无疑是一个核心技术3。飞行控制系统的关键主要集中在传感器的三个模块，车载电脑，伺服驱动装置，并完成了姿态控制。在四轴飞行器的结构相对简单，体积可以小，操作简单，起飞和降落都方便，而且应用程序的性能在许多方面是良好的。随着科技的飞速发展，微机电系统在最近几年尤其是发展迅速。再加上高速低功耗处理器技术的发展，这是一种多旋翼无人机的发展提供了重要的技术基础。此外，该功能的应用空间非常广阔，因此它已被许多人在最近几年的广泛关注，并在四轴无人飞行器的研究文献也得到了4增加。1.2
12、 国内外研究现状国外四旋翼无人机研究相对较早，始于上世纪初期，法国Breguet兄弟在上世纪初开始研发并制造当时世界上第一架四旋翼直升机，并进行了模型的试飞，为以后的四旋翼直升机的发展奠定了一定的理论基础。但是受制于当时技术条件的限制，尤其是当时自动控制相关理论体系尚未形成，因此最早的四旋翼直升机中大多采取机械操作装置进行飞行姿态的调控和操作，因此首次试飞也仅局限于可短时间离开地面飞行11。虽然这次试飞并没有取得较为理想的效果，但是它是直升机方面的一个重大创新，为四旋翼无人机的发展定下了一个开端，可以说这款四旋翼直升机是四旋翼无人机研究的起点。到1921年，美国空军研制出另一款大型的四旋翼直升
13、机，该无人机由一个单发动机驱动，这款无人机先后一共进行了100多次试飞，但是始终没有获得一个良好的飞行控制，最终被美国空军放弃该项目。在随后的几十年内四旋翼无人机几乎没有取得什么发展，直到在近十年来四旋翼无人机的研究才取得了较大进展，在科研开发方面斯坦福大学、麻省理工学院、瑞士洛桑联邦科技学院的研究具有较为典型的代表意义。当前，大多数四旋翼飞行器从属性上来说应归类于微型无人机系统，还有部分四旋翼飞行器归属于各大院校和科研机构，除此之外，还有部分应用于军事和商业领域中发挥作用。在四旋翼无人机的研究中很多项目的研究方向都在无人机的建模和控制系统的仿真测试上。还有一部分项目则是对无人机在现实环境下能
14、否完成各种各样的飞行动作，实现自主飞行的研究上。例如，瑞士洛桑联邦工学院EPFL的OS4项目，机载电子设备包含飞行高度传感器、倾角传感器、照相机以及嵌入式计算机等等。该试验项目所研究的重点是实现对机架结构和自主飞行算法的研究设计，进而实现在室外和室内两种不同条件下的自主飞行。除了世界知名高校对四旋翼无人机进行了广泛研究外，还有一些科研机构和企业也对无人机进行了研制。例如德国Microdrones公司所研发并投入量产的MD-200 系列无人机，该型无人机推出后在欧美民用无人机市场中获得了空前成功。美国Draganflyer Innovations 公司所研发的Draganflyer、德国的Mik
15、ro Kopter等，这些不同类型的四旋翼无人机各自具有不同的特点16。当前，国内外各相关行业都对普遍关注旋翼无人机的研究和发展进程，希望在未来的几年内，该领域内能够出现性能优异、经济性好的四旋翼无人机。相较于世界上其他一些发达国家而言，我国对四旋翼无人机的研究起步较晚，在技术上也较为落后，我国对于无人机的研制仍停留在传感器等电子部件的研究工作上，但是我国的某些大学和科研单位在研究四旋翼无人机的工作上也取得了较大的突破，例如国防科技学、哈尔滨工业大学、中南大学以及上海交通大学等56789。南京理工大学基于UAV控制方法对无人机进行了研制和开发。其研究成果中包含基于传统控制算法和智能PID算法等多种算法的分析比较。从我国当前对四旋翼无人机的研究现状来看，大多数专家学者对此的研究主要集中于数学建模和控制算法仿真等问题上，只有少部分研究者进行了实际飞行试验。虽然相较于其他发达国家而言，我国的飞行器研制相对较晚，取得的理论成果也大多集中于数学建模和控制方法仿真计算上，现有通过飞行试验来综合论述四旋翼无人机的实际飞行状态和控制算法的。但总体而言我国在该领域的研究也取得了一定进展。例如，北京航空航天大学完
