基于gps的四旋翼飞行器的研究与实现

基于gps的四旋翼飞行器的研究与实现内容摘要：

200可以完成一次 充电不低于 20分钟的飞行时间。 2020年 4月在德国上市以来，短短的 16个月里，在欧洲已经销售了超过 250套 MD4200四旋翼飞行器系统，它们被用于许多不同领域：航空摄影、空中考古、空中监视、植被调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队等等。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 全球定位系统 GPS 发展概述 简称 GPS 的全球定位系统 (global positioning system)是随着现代化科学技术的发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统。 GPS 系统主要由三大部分组成，即用户设备部分以及空间星座部分和地面监控部分组成。 1958 年 12 月，美国为了给在北极的核潜艇提供精确的导航定位，美国海军联合詹姆斯普金斯 (johns hopkins)大学物理实验室来研究和发展卫星定位导航系统，称为美国海军导航卫星系统，简称 NNSS(navy navigation satellite system)系统。 同时也被称为“子午卫星系统”，因为 NNSS 中的卫星轨道穿过了地极。 1959 年 9 月，一颗实验性卫星在美国发射， 5 年的研究与测试后，即 1964 年，建成了 NNSS 系统。 而在 1967 年，美国政府解锁并开放了该系统，允许民间使用。 为了给民间组织和军 事部门提供实时的三维定位导航，在 1973 年，美国国防部就开始着手研究和建立新一代卫星导航系统，也就是目前应用非常广泛的“授时与测距导航系统或称全球定位系统” (navigation system timing and ranging/global positioning system—— NAVSTAR/GPS)，通常简称为全球定位系统 (GPS)。 由于该系统卫星数目不多，工作卫星只有 6 颗，同时只有平均约为 1000km 的运行高度，而从地面站观测到卫星的时间的间隔也非常长，平均约 个小时。 虽然GPS 系 统对导航定位技术的发展是具有非常重大的意义，却不能满足军事上高精度高稳定性的苛刻要求。 而且从大地测量学来看，由于它的定位速度慢，测站平均观测 2天，精度较低，只有 35 米的单点定位精度和约为 1 米相对定位精度，所以，该系统很难运作在大地测量学和地球动力学研究方面。 然而在耗掉 200 多亿美元与 20 多年的时间后，终于在 1994 年全面建设完成了GPS 系统。 GPS 的建成历经了三个阶段： 第一阶段：完成方案的论证和初步设计。 1973 年到 1979 年间，美国政府一共发射了 4 颗试验型卫星。 研发了地面接收机，同时建成地面的卫星 接收网络系统，在硬件和软件上进行了全方面的试验。 第二阶段：全方面研制以及试验。 1979 年到 1984 年间，美国政府又陆续将 7 颗试验型的卫星送人轨道，同时也研发了各种用途的卫星信号地面接收机。 在实际测试中， GPS 的定位精度甚至远超乎设计者的预想。 第三阶段：实用组网。 1989 年 2 月 4 日，第一颗 GPS 工作卫星被送人轨道， GPS系统的建成进入最后的阶段。 1993 年底， 24 星座 GPS 系统终于全面建成。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 系统简介 系统功能简介 在机载单片机上输入一系列 GPS 坐标点，自动生成相应航线，同时从机载 GPS系 统中读取定位数据，并与存储的定位坐标做实时比对，实时修正航线，并将定位坐标显示在液晶显示屏上，处理并显示当前位置。 系统设计简介 图 14 系统设计框图 系统采用 STC89C52RC 单片机作为控制器，进行收集经纬度定位坐标和卫星时间，并通过与记录的目的地坐标点进行比较而进行简单的导航。 显示界面采用 11264点阵液晶显示屏显示 GPS 芯片接收到的定位数据、时间数据以及单片机发出的导航数据，它是 112 行 64 列点阵型液晶显示模块。 GPS 模块型号为 HOLUX M89， 使用联发科技公司 (MTK)所设计的低 耗电量芯片 MT3318。 该模块的优势是对漂移的处理，功耗在 30 毫安，通讯方式是 RS232(波特率 4800)，具有并行 12 通道，可同步跟踪12 颗卫星。 与 PC 机的通信，采用的是串行异步通信方式，从单片机 TXD 和 RXD端的 TTL 电平到 PC 机的标准 RS232 电平的转换，系统采用美信公司的 MAX232 芯片。 设置两个按键，用以切换不同界面以及设置目的地坐标。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 2 硬件设计 硬件总体设计 硬件总体设计框架如图 21 所示，主要由以下模块组成： (1)89C52RC 单片机，(2)GPS 模块 (3)11264 点阵液晶 LCD 模块 (4)电平转换模块。 图 21 硬件原理图 处理器的选择 89C51 系列单片机简介 嵌入式处理器是嵌入式硬件系统中最核心，也是最关键的部分，应根据系统应用的要求、体积、成本等因素选择合适的处理器。 89C51 系列单片机带有非易失性的 Flash程序存储器，支持 12 时钟和 6 时钟操作，并由先进 CMOS 工艺制造。 P89C51X2 具有 128 字节的数据存储器， P89C52X2/58X2 具有 256 字节数据存储器，都具有片内振荡器和时钟电路，以及 32 条 I/O 口，可用于多机通信、 I/O 扩展或全双工 UART， 此外，由于器件采用了静态设计的方案，时钟停止但用户数据不会丢失，也可从时钟停止处恢复。 同时频率可降至 0，具有极宽的操作频率范围。 该系列单片机拥有【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 由软件选择的三个模式，分别为空闲模式，节电模式以及掉电模式。 在选择空闲模式时会将 CPU 冻结，但是数据存储器、定时器以及中断系统和串口却仍然在工作。 掉电模式则会保存数据存储器的内容，但是会将振荡器冻结，这会导致所有的其它片内功能将停止工作。 (1) 存储器寻址范围 64 字节数据存储器以及 64K 字节程序存储器 (2) 电源控制模式 空闲模式 掉电模式 时钟可停止和恢复 (3) 两个工作频 率范围 12 时钟模式时为 0~33MZH 6 时钟模式时为 0~20MHZ (4) 12 时钟操作，也可通过软件或并行编程器选择 6 时钟时钟操作 (5) 89C51 核心处理单元 全静态操作 布尔处理器 89C51X2：具有 4k 字节的 Flash 89C52X2：具有 8k 字节的 Flash 89C54X2：具有 16k 字节的 Flash 89C58X2：具有 32k 字节的 Flash 89C51X2：具有 128k 字节的 RAM 89C52X2/54X2/58X2：具有 256k 字节的 RAM (6) 异步端口复位 (7) 3 个加密位 (8) 4 个 8 位 I/O 口 (9) LQFP， PLCC，以及 DIP 封装 (10) 16 位定时 /计数器 T1 和 T0(80C51 标准 )， T2(比较和捕获 )是增加的 (11) 温度范围扩展 (12) 增强型收发全双工 UART 识别自动地址 检测帧数的错误 (13) 低 RMI(禁止 ALE 以及 6 时钟模式 ) (14) 双数据指针 (15) 可通过外部中断来唤醒掉电模式 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 (16) 中断优先级 4 个 (17) 中断源 6 个 (18) 可编程时钟输出 图 22 51 单片机结构图 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 图 23 单片机管脚图 单片机管脚说明： VCC：供电电压 5V。 GND：接地。 P0口： P0口每脚都可以吸收 TTL 门电流，是一个 8位的漏级开路双向 I/O 口。 在校验 FIASH 时， P0作为原码输出口，此时 P0必须通过外部被拉高，也就是说要外接上拉电阻。 当编程 FIASH 时， P0口输入为原码。 当 P0口的管脚第一次写 1时，就会被定义为 高阻 输入。 外部的程序存储器和数据存储器也能使用 P0口，同时 P0口也可以作为成数据的低八位地址。 P1 口：输出的 4 个 TTL 门电流能被 P1 口的缓冲器接收。 P1 口是 8 位的并且自身能提供上拉电阻的双向 I/O 口，在编程和校验 FLASH 时， P1 口作为低八位地址接收。 P1 口管脚写入 1 后，被自身上拉为高电平，可用为输入，由于内部上拉的缘故，外部将 P1 口下拉为低电平时，将输出电流。 P2 口： P2 口缓冲器可以输出并接收 4 个 TTL 门电流。 P2 口为一个 8 位的自身提供上拉电阻的双向 I/O 口。 当 P2 口被写 1 时，其管脚被自身的上拉电阻拉为高电【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 平，且作为输入。 并因此作为输入时，由于内部上拉的缘故，当外部将 P2 口的管脚拉至低电平，将输出电流。 在给出地址“ 1”时，由于自身提供上拉电阻，在对八位外部地址数据存储器进行写或读的操作时， P2 口输出的为它的 SFR 里的内容。 在 校验和编程 FLASH 时 P2 口接收地址信号和控制信号的高八位。 当利用外部 ROM 或16 位地址外部 RAM 进行存取数据时， P2 口输出的是地址的高八位。 P3 口： 4 个 TTL 门电流可由 P3 口的管脚输出并接收， P3 口有 8 个自身提供上拉电阻的双向 I/O 口。 作为输入，由于外部下拉为低电平。 当 P3 口写“ 1”时，因为自身能提供上拉电阻， P3 口将输出电流 (ILL)，它们被自身上拉成高电平，这是可作为输入。 P3 口也是 AT89C51 的一些特殊功能口，如下面所示： P3 口管脚备选功能： (1) (外部数据存储器读选 通 ) (2) (外部数据存储器写选通 ) (3) T1(T1 外部输入 ) (4) T0(T0 外部输入 ) (5) (外部中断 INT1) (6) (外部中断 INT0) (7) TXD(串行发送口 ) (8) RXD(串行接收口 ) P3 口在闪烁编程和编程校验时可以接收一些控制信号。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 (0000HFFFFH)，不管是否有内部程序存储器，在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP)。 在加密方式为 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 XTAL1 和 XTAL2：反向振荡放大器的输入输出引脚及内部时钟工作电路的输入输出引脚。 RST：复位脚。 将 RST 脚间保持两个机器周期的高电平时间，单片机将被复位。 ALE/PROG：在平时， ALE 端输出 1/6 的振荡器频率的正脉冲信号，频率周期不改变，因此它可用作对外定时器或脉冲输出。 然而用于外部 RAM 时，将会跳过一个 ALE脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置低电平。 这个时候， ALE 只有在执行 MOVC 和 MOVX 指令时才能 起到一定的作用。 另外，略微拉高该引脚时，如果微处理器在执行 ALE 外部状态禁止，则置位无效。 /PSEN：外部 ROM 的选通信号。 在读取外部程序存储器指令的期间， /PSEN 选通两次外部程序存储器，也就是出现 2 次选通信号。 但在访问外部数据存储器的时候，将不会出现这样的有效 /PSEN 信号。 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动的人。 GPS 模块 GPS 硬件介绍 HOLUX M89 GPS 模块是一款采用 MTK 芯片方案的 GPS 模块。 该模块采用联发科技公司 (MTK)所设计的低耗电量芯片 MT3318。 该模块的优势是对漂移的处理，功耗在 30 毫安，性价比等多方面都优于 SIRF3 芯片。 该模块通讯方式是 RS232(波特率4800)，具有并行 12 通道，可同步跟踪 12 颗卫星，定位精度高，体积小，功耗低。 以下是它的一些参数： L1()接收频率； 工作温度： 40℃至 +85℃； 输出资料格式： NMEA0183()； 启动时间 (TTFF)：热启动： 1 秒；温启动： 33 秒；冷启动： 36 秒； 敏感性： 159dBm。 工作电压： + 至 +5v； 功耗：跟踪模式 电压下小于 35mA； 更新接收：每秒钟 (1pps)； 外形体积尺寸 ： **3mm； 重量： 3g； 图 24GPS 模块实物 【精品文档】世界上，成功的有两种人，一种人是傻子，一种人是疯子。 傻子是会吃亏的人，疯子是会行动。