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基于GPS的四轴飞行器的导航系统设计

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密级： NANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文

THESIS OF BACHELOR （2011—2015年）

题 目：四轴飞行器的GPS导航系统设计 学 院： 信息工程学院 系 自动化系 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名： 程浩 学号： 5801211090 指导教师： 张宇 职称： 讲师 起讫日期： 2015年3月15日至2015年5月29日 南 昌 大 学 学士学位论文原创性申明 本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期：

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 日期：

导师签名： 日期： 目录 摘 要 .............................................................................................................................................. 1 第一章 绪论 .................................................................................................................................. 3 1.1 四轴飞行器定义 ............................................................................................................. 3 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ......................................................................................... 3 第二章 四轴飞行器GPS导航模块分析实现设计 ..................................................................... 5 2.1 GPS导航系统整体实现程序流程图 ............................................................................. 5 2.2 GPS导航系统实现方向框图 ......................................................................................... 5 2.3 GPS导航模块介绍 ......................................................................................................... 6 2.4 GPS导航模块协议信息接收分析设计 ......................................................................... 6 2.5 GPS导航模块协议信息提取设计 ............................................................................... 10 2.6 LCD12864液晶显示设计 ............................................................................................ 10 2.7 按键响应设计 ............................................................................................................... 10 第三章 四轴飞行器GPS导航模块硬件设计 ............................................................................11 3.1 最小系统硬件设计 ........................................................................................................11 3.1.1 单片机STC89C52 ..............................................................................................11 3.1.2 单片机晶振部分 ................................................................................................ 12 3.1.3 单片机复位部分 ................................................................................................ 13 3.1.4 电源模块部分 .................................................................................................... 13 3.1.5 轻触按键控制部分 ............................................................................................ 14 3.2 12864液晶显示硬件设计 ............................................................................................ 14 3.3 GPS导航模块硬件设计 ............................................................................................... 16 第四章 结束语 ............................................................................................................................ 18 4.1 展望 ............................................................................................................................... 18 4.2 小结与体会 ................................................................................................................... 18 参考文献 ........................................................................................................................................ 19 附录 ................................................................................................................................................ 20 摘要

1 四轴飞行器的GPS导航系统设计 专 业：测控技术与仪器 学 号：5801211090 学生姓名：程浩 指导教师：张宇

摘 要 在四轴飞行器诞生之前，如某地发生灾害，救援人员到达现场路途艰辛，派无人机探路虽可以节省时间成本很高，动辄几十万。而且一些地方要求微小的操作空间，这时四轴飞行器的优势就凸显出来。 但同时，在一些如气象部门或者测绘部门等等的四轴飞行器的使用中，四轴飞行器的一些短板就日益凸现出来。例如飞行器的续航问题，飞行规划问题等。在一些没有导航仪的飞行器上我们想知道飞行器的位置我们都无从知晓。对于此问题的解决办法就是给飞行器安装一个GPS导航仪并配备自动导航系统。下文就是关于基于GPS的四轴飞行器的导航系统的设计。 本文致力于研究四轴飞行器在GPS导航的前提下能够实时显示飞行器的当前时间，位置有经度和纬度，海拔和速度信息。为以后四轴飞行器的自主导航研究打下基础。本文的重要步骤如下： （1）读取U-blox公司的VK1612U7M3型GPS导航模块从卫星接收的数据并分析提取我们需要的时间、位置、速度等信息。 （2）把从GPS模块提取的信息经过MCU处理后由LCD12864液晶直观的显示出来，并且能通过按键切换不同的显示界面。 关键词：GPS，LCD12864，四轴飞行器

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基于STM32F4的四轴航拍飞行器

基于STM32F4的四轴航拍飞行器

基于STM32F4的四轴航拍飞行器摘要本设计是基于STM32F4的四轴航拍平台。

以STM32F407为控制核心，四轴飞行器为载体，辅以云台的航拍系统。

硬件上由飞控电路，电源管理，通信模块，动力系统，机架，云台伺服系统组成。

算法上采用简洁稳定的四元数加互补滤波作为姿态解算算法，PID作为控制器，实现飞行，云台增稳等功能。

具有灵活轻盈，延展性，适应性强好等特点。

1.引言四轴飞行器是一种利用四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行的飞行器。

进入20世纪以来，电子技术飞速发展四轴飞行器开始走向小型化，并融入了人工智能，使其发展趋于无人机，智能机器人。

四轴飞行器不但实现了直升机的垂直升降的飞行性能，同时也在一定程度上降低了飞行器机械结构的设计难度。

四轴飞行器的平衡控制系统由各类惯性传感器组成。

在制作过程中，对整体机身的中心、对称性以及电机性能要求较低，这也正是制作四轴飞行器的优势所在，而且相较于固定翼飞机，四轴也有着可垂直起降，机动性好，易维护等优点。

在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于监控交通，环境等。

比如，在四轴飞行器上安装甲烷等有害气体的检测装置，则可以在高空定点地检测有害气体；进入辐射区检查核设施；做军事侦察；甚至搬运材料，搭建房屋等等。

本设计利用四轴搭载云台实现航拍任务，当然经过改装也可以执行其他任务。

本设计主要研究了四轴飞行器的姿态结算和飞行控制，并设计制作了一架四轴飞行器，对关键传感器做了标定，并利用用matlab分析数据，设计算法，还进行了单通道平衡试验调试，进行试飞实验取得了一定的效果。

2.系统方案本设计采用STM32F4作为核心处理器，该处理器内核架构ARM Cortex-M4，具有高性能、低成本、低功耗等特点。

主控板包括传感器MPU6050电路模块、无线蓝牙模块、电机启动模块，电源管理模块等；遥控使用商品遥控及接收机。

控制芯片捕获接收机的PPM命令信号，传感器与控制芯片之间采用IIC总线连接，MCU与电调之间用PWM传递控制信号。

民用无人机的技术现状与发展趋势分析

民用无人机的技术现状与发展趋势分析

民用无人机的技术现状与发展趋势分析近年来，随着无人机技术的飞速发展，民用无人机已逐渐成为人们生活中的一部分，广泛应用于农业、环保、物流和娱乐等领域。

本文将对民用无人机的技术现状与发展趋势进行分析。

一、技术现状1. 机身设计现在大多数民用无人机采用四轴飞行器，其机身设计呈“十”字型，每个臂上安装有电机和推进器，可通过遥控器来控制飞行方向和高度。

此外，还出现了多旋翼机和直升机等种类的无人机。

2. 导航系统民用无人机的导航系统包括全球定位系统（GPS）和惯性测量单元（IMU），通过卫星信号和自身陀螺仪和加速度计等传感器进行位置和姿态的计算。

同时，还有激光雷达等传感器用于测量周围环境。

3. 摄像系统民用无人机配备的摄像系统多种多样，可实现拍摄高清晰度的照片和视频。

此外，还有可见光相机和红外热像仪等，能够提供更加细致、全面的飞行数据。

4. 控制和通讯系统无人机的遥控器采用2.4GHz无线通讯，其距离取决于发射器和接收器之间的信噪比。

同时，还可以通过手机应用或电脑来进行控制和监控，并可将飞行数据上传至云端进行分析。

二、发展趋势1. 自主飞行目前市场上的无人机多为手动控制，而未来的发展趋势将更侧重于自主飞行。

随着人工智能技术的日益成熟，无人机将具备自主避障、自主路径规划等功能，能够较大程度上避免人为失误带来的风险。

2. 机身材料轻量化随着无人机飞行距离和飞行时间的不断提升，机体重量的轻量化将成为未来的发展重点。

预计将会进一步研究并应用强度高、重量轻的新型材料。

3. 可重复使用性目前市场上的无人机大多为一次性使用，未来将更加注重可重复使用性。

同时，在电池寿命方面也需进行深入研究，以满足长时间、高频次的飞行需求。

4. 各领域需求无人机的市场需求与应用范围不断扩大，未来将会有更多领域对无人机提出更高、更精细、更专业化的需求。

例如，在农业领域，无人机能够实现病虫害侦查、农作物生长监测等功能，让农业生产变得更加智慧化、数字化；在物流领域，无人机更能实现快递、送餐等配送服务。

思美创四轴桥板编程

思美创四轴桥板编程

思美创四轴桥板编程摘要：一、思美创四轴桥板简介1.思美创四轴桥板的定义2.思美创四轴桥板的作用二、四轴桥板编程基础1.编程环境的搭建2.编程语言的选择三、编程实例与技巧1.飞行器姿态控制2.飞行器导航与定位3.飞行器载荷控制四、编程注意事项1.代码规范与优化2.飞行器安全措施五、总结与展望1.思美创四轴桥板编程的应用领域2.未来发展趋势与挑战正文：一、思美创四轴桥板简介思美创四轴桥板是一种用于四轴飞行器（多旋翼无人机）的控制板，它能实现对飞行器的姿态控制、导航定位、载荷控制等功能。

四轴桥板作为飞行器的核心控制器，通过编程实现各种功能，使得飞行器能够执行各种任务。

二、四轴桥板编程基础1.编程环境的搭建为了进行四轴桥板编程，首先需要搭建一个适合的编程环境。

这通常包括硬件设备（如四轴飞行器、电脑、调试器等）、软件工具（如编程软件、驱动程序、调试工具等）以及相关的编程资源（如编程教程、API 文档等）。

2.编程语言的选择思美创四轴桥板支持多种编程语言，如C 语言、Python、Java 等。

根据编程者的熟练程度和需求，可以选择合适的编程语言进行开发。

对于初学者，建议选择易于上手且功能丰富的编程语言，如Python。

三、编程实例与技巧1.飞行器姿态控制飞行器姿态控制是四轴桥板编程的基本功能之一。

通过编写程序，可以实现对飞行器的俯仰、横滚、偏航等姿态的实时控制。

姿态控制算法通常包括PID 控制、卡尔曼滤波等。

2.飞行器导航与定位飞行器导航与定位是四轴桥板编程的重要应用之一。

通过编写程序，可以实现对飞行器的GPS 定位、航迹规划、自动飞行等功能。

这需要开发者掌握GPS 定位原理、地图匹配算法、路径规划等相关知识。

3.飞行器载荷控制飞行器载荷控制是四轴桥板编程的另一个应用领域。

通过编写程序，可以实现对飞行器搭载的各种载荷（如摄像头、传感器、机械臂等）的控制。

这需要开发者了解载荷的工作原理、通信协议等相关知识。

四、编程注意事项1.代码规范与优化在进行四轴桥板编程时，需要注意代码的规范性和优化。

APM飞控介绍

APM飞控介绍

APM飞控系统介绍APM飞控系统是国外的一个开源飞控系统，能够支持固定翼，直升机，3轴，4轴，6轴飞行器。

在此我只介绍固定翼飞控系统。

APM飞控系统主要结构和功能组成功能飞控主芯片Atmega1280/2560 主控芯片PPM解码芯片Atmega168/328 负责监视模式通道的pwm信号监测，以便在手动模式和其他模式之间进行切换。

提高系统安全惯性测量单元双轴陀螺，单轴陀螺，三轴加速度计测量三轴角速度，三轴加速度，配合三轴磁力计或gps测得方向数据进行校正，实现方向余弦算法，计算出飞机姿态。

GPS导航模块Lea-5h或其他信号gps模块测量飞机当前的经纬度，高度，航迹方向（track），地速等信息。

三轴磁力计模块HMC5843/5883模块测量飞机当前的航向（heading）空速计MPXV7002模块测量飞机空速（误差较大，而且测得数据不稳定，会导致油门一阵一阵变化）空压计BMP085芯片测量空气压力，用以换算成高度AD芯片ADS7844芯片将三轴陀螺仪、三轴加速度计、双轴陀螺仪输出温度、空速计输出的模拟电压转换成数字量，以供后续计算其他模块电源芯片，usb电平转换芯片等飞控原理在APM飞控系统中，采用的是两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级，导航级的计算集中在medium_loop( ) 和fastloop( )的update_current_flight_mode( )函数中，控制级集中在fastloop( )的stabilize( )函数中。

导航级PID控制就是要解决飞机如何以预定空速飞行在预定高度的问题，以及如何转弯飞往目标问题，通过算法给出飞机需要的俯仰角、油门和横滚角，然后交给控制级进行控制解算。

控制级的任务就是依据需要的俯仰角、油门、横滚角，结合飞机当前的姿态解算出合适的舵机控制量，使飞机保持预定的俯仰角，横滚角和方向角。

最后通过舵机控制级set_servos_4( )将控制量转换成具体的pwm信号量输出给舵机。