基于gps四旋翼飞行器设计

基于gps四旋翼飞行器设计内容摘要：

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。 4 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。 5 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 6 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 7 (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 8 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 9 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。 10 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 11 GPS 卫星信号 GPS 卫星发射的导航电文是通过两个载波频 L1 为 ， L2 为 1227MHz向地面发射带宽 F=50Hz，传递速率是 50bit/s 的基带信号，即一组不归零制二进制编码脉冲 D(t)。 采用了伪码扩频技术将基带信号的频带从 50hz 扩展到 以将这种低码率的导航文有效地发送给用户。 采用正交方式调制，在载波 L1 上调制了两种码 (P 码和 C/A 码 )，而在载波 L2 上只调制了一种伪码 (P 码 )。 总之， GPS 卫星发射的信号是电文 D(t)经过两级调制后的信号。 第一级是将 D(t)，码调制 C/A 码和 P 码，实现对 D(t)的伪随机码扩频。 第二级是将它们的组合码分别调制在 L1 和 L2 载波频率上。 GPS 定位误差 在我们利用 GPS 进行卫星定位和导航的时候，会受到很多干扰。 这些影响 GPS定位精度的因素可分为以下四大类： (1)SA 误差 是 影响 GPS 定位误差的最主要因素。 SA 干扰误差是美国 国防部为之国家安全而防止非特许 用户利用 GPS 进行高精度 定点 点定位而采用的降低 GPS 系统精度的 一系列 政策，简称 为。