论文部分内容阅读
[摘 要]四旋翼飞行器是最近几年兴起的微型飞行器之一，具有用途广泛、功能齐全等优点。但是，在传统的四旋翼飞行器中，由于缺少先进科学技术的支持，使得该飞行器常常存在着控制难度大、接收信号距离短等问题，在很大程度上降低了四旋翼飞行器的使用价值。笔者在参考前人研究结果的基础上，结合自身多年的工作经验，将全球定位系统GPS和GPRS网络等先进的技术运用于四旋翼飞行器中，力求最大限度的提升该飞行器的可操控性、飞行距离以及使用价值。
[关键词]四旋翼飞行器；GPS；定位系统；GPRS
中图分类号：S198 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0221-01
前言
在科学技术日益完善这一因素的推动下，四旋翼飞行器的可操作性、飞行距离以及承载重量等功能都得到了有效地完善。例如，地质勘探领域、物流行业以及航空拍摄行业等都在陆续使用该飞行器。但是，就传统的四旋翼飞行器而言，它飞行的高度完全取决于接收手持遥控器信号的距离，严重制约着此类飞行器商业化的进程。因此，本文设计了一种利用软件控制四旋翼飞行器的系统，在该系统中，我充分的运用了当前较为成熟的全球定位系统GPS和网络数据GPRS作为该软件控制系统的核心技术，有效的避免了手控操作系统对该飞行器造成的限制。
这主要是由于GPS定位系统的使用，有效地推动了四旋翼飞行器驾驶技术的发展，为我们实时定位飞行器的高度和距离提供了十分有力的条件，而GPRS网络技术的使用，使飞行器彻底摆脱了传统手持遥控器所带了信号传输距离短的问题，为飞行器飞行高度和飞行距离的提升奠定了坚实的基础。这样一来，我们就可以运用飞行器从事勘探矿井、地震救灾、航空拍摄等工作，不仅有效地缩减了上述工作的成本，同时还能为我们提供更为全面的信息和视觉感受。综上所述，对本文进行深入的分析与研究具有十分重要的意义。
一、GPS四旋翼飞行器定位系统的总体设计思路
GPS四旋翼飞行器定位系统由三个部分组成，第一部分为含有机载飞行控制器的GPS四旋翼飞行器自动返航系统；第二部分为由控制模块和GPS数据收集系统组成的机载控制系统；第三部分为客户端软件系统。GPS四旋翼飞行器定位系统依据ArduPilotMega飞行控制板的运行原理，使用GPRS网络技术作为该系统的数据传输渠道，以实现将GPS定位系统所收集的四旋翼飞行器飞行信息完全传输至控制系统中，同时运用使用VisualStudio2013基于C#软件在Windows操作系统的计算机上编写控制软件，最终达到实时监控四旋翼飞行器飞行状况的目的。最后，我在运用GPS定位功能的基础上增加了飞行器模式转换功能的方式，改善了该飞行器的自动返航系统，有效的增加了该飞行器飞行过程的安全性和可控制性[1]。
二、GPS四旋翼飞行器定位系统的硬件设计方案
1、GPS四旋翼飞行器定位系统的硬件模块选择
GPS四旋翼飞行器定位系统硬件模块的选择主要包含以下四个部分：首先，飞行控制板的选择。本次设计所选择的飞行控制板为ArduPilotMega飞行控制板，该类飞行控制板具有功能齐全、价格相对便宜等优点。如它具有基于陀螺儀的自稳功能、基于GPS的定高功能以及PID解算姿态角控制等功能。此外，ArduPilotMega飞行控制板还可以支持稳定的地面站系统，并设置了三个串联接口等，有效地增强了该控制板的适用性，是当前市场上使用最为广泛的飞行控制板之一。其次，外接GPS模块的选择。为了有效地增强GPS定位系统在四旋翼飞行器中的作用，本次设计使用了LEA-6H型号的GPS接收模块，它除了增强GPS定位系统的信号之外，还同时兼容了GLONASS卫星导航系统，精准度远远高于其他型号的GPS模块。再次，核心处理器的选择。本次设计方案所选择的核心控制器为STM32F103R型号的微处理器，该处理器含有2个串行接口，属于新一代M3内核微控制器，具有极强的稳定性和可操作性，是增强四旋翼飞行器安全性能的关键所在。最后，GSM模块的选择。考虑到安装在四旋翼飞行器上的控制系统需要具备与控制软件相互通信的功能，故本次选用了型号为GTM900C的GSM模块，该模块可以同时兼容TC35模块和通用的AT指令集，并设置了标准的SIM卡接口，能够接收接射频天线[2]。
2、GPS四旋翼飞行器其他硬件模块的选择
机架作为飞机的重要组成部分之一，其材质是否结实、重量是否轻盈等，都会在一定程度上影响飞机的飞行性能。笔者在综合分析各飞机支架的特性之后，将飞机机架的设计总结如下：考虑到机架需要承载四旋翼飞行器的无刷电机和飞机螺旋桨的重量，因此，本设计选用了华杰HJ-6504可折叠四旋翼机架，该飞机机架不仅有着加大的尺寸，同时其自身的质量相对较轻，且他能与各类型号的无刷电机和电调相匹配，是当前用于四旋翼飞行器最理想的支架[3]。
三、GPS四旋翼飞行器定位系统的软件设计方案
由于GPS四旋翼飞行器定位系统控制软件需要同时加载飞行器所有的控制键和内容，与用户之间形成一个可视化的交互界面。所以，本设计的软件窗口选用webBrowser浏览器控件，同时采取调用脚本的方式，将百度地图接入该显示窗口中，使该窗口可以显示初始化的百度地图，并且初始化载入事件Form-Load对窗口界面进行初始化，添加下拉列表的串口选择。此外，本设计还通过调用百度地图API的方式实现了系统的地图功能。由于软件页面地图中所显示的信息时利用C#调调试Javascript脚本后实现的，所以，我们必须在网页文件中加入与之相对应的functionn函数，将确保百度地图处于一种初始化的状态中。最后，为了确保webBrowser控件具备直接打开网页文件和载入地图等功能，我们还必须将网页文件添加到项目工程的debug的目录之下。
再有就是，“开始服务”按键应具备同时启动软件和四旋翼飞行器飞行控板的功能，所以，我们在设置该软件时，需要在两者之间建立起通信网络。因此，我们在设置“开始服务”这一按键时，需要建立起一个全新的线路系统，同时设置好端口型号，使各控制模板之间实现四旋翼飞行器的信息共享和交互变化，从而增强该飞行器的可操控性[4]。
四、GPS四旋翼飞行器定位系统的调试与测试
GPS四旋翼飞行器定位系统硬件构成部分包含了集成模块进行搭建和控制系统搭接两个部分。同时使用GTM900C模块和GPS模块作为STM32微处理器由最小集成系统。而电源部分则是使用四旋翼飞行器的机载电池，其电量可以确保飞行器飞行三个小时左右。并使用GND接地线、信号输入线以及信号输出线作为串口的通信线路，以帮助我们就获得四旋翼飞行器的所有信息。最后，我们再GTM900C模块和GPS模块的地线、信息输入线以及信息输出线等接到STM32板的地线接口上，从将整个零散的模块构建成一个统一的整体，便于我们对飞行器的所有性能进行全面的监测。
五、总结与展望
从上文所论述的内容中我们不难看出，GPS定位系统在提高四旋翼飞行器飞行质量、飞行效率以及实用价值等方面都有着十分重要的作用，值得我们在实际工作中使用和推广，但是，受科学技术不发达、工作人员专业知识不扎实以及影响四旋翼飞行器飞行性能的不确定因素多等因素的影响，GPS定位系统在四旋翼飞行器中的使用依然存在着诸多问题，身为设计工作人员的我们，只有在日常的工作中不断总结和积累工作经验，积极完善自身的专业知识和操作技能，才能准确的发现此项工作中存在的不足，并采取行之有效的措施加以应对，为我国飞行器制造行业的不断发展和完善注入新鲜的血液。
参考文献
[1] 李力阳，张志伟.基于单片机的四旋翼飞行器定位导航系统设计[J].信息技术，2015（8）：60-62.
[2] 王立.基于北斗/GPS导航的视觉着陆四旋翼飞行器设计[D].武汉科技大学，2016.
[3] 王其，朱哲夫，陈许健，等.一种基于SINS/GPS的四旋翼飞行器导航系统设计[J].微型电脑应用，2015，31（2）：15-16.
[4] 商可易，赖宇宁，宫艺鸣.基于GPS及光流传感器的四旋翼飞行器[J].数字化用户，2014.
[关键词]四旋翼飞行器；GPS；定位系统；GPRS
中图分类号：S198 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0221-01
前言
在科学技术日益完善这一因素的推动下，四旋翼飞行器的可操作性、飞行距离以及承载重量等功能都得到了有效地完善。例如，地质勘探领域、物流行业以及航空拍摄行业等都在陆续使用该飞行器。但是，就传统的四旋翼飞行器而言，它飞行的高度完全取决于接收手持遥控器信号的距离，严重制约着此类飞行器商业化的进程。因此，本文设计了一种利用软件控制四旋翼飞行器的系统，在该系统中，我充分的运用了当前较为成熟的全球定位系统GPS和网络数据GPRS作为该软件控制系统的核心技术，有效的避免了手控操作系统对该飞行器造成的限制。
这主要是由于GPS定位系统的使用，有效地推动了四旋翼飞行器驾驶技术的发展，为我们实时定位飞行器的高度和距离提供了十分有力的条件，而GPRS网络技术的使用，使飞行器彻底摆脱了传统手持遥控器所带了信号传输距离短的问题，为飞行器飞行高度和飞行距离的提升奠定了坚实的基础。这样一来，我们就可以运用飞行器从事勘探矿井、地震救灾、航空拍摄等工作，不仅有效地缩减了上述工作的成本，同时还能为我们提供更为全面的信息和视觉感受。综上所述，对本文进行深入的分析与研究具有十分重要的意义。
一、GPS四旋翼飞行器定位系统的总体设计思路
GPS四旋翼飞行器定位系统由三个部分组成，第一部分为含有机载飞行控制器的GPS四旋翼飞行器自动返航系统；第二部分为由控制模块和GPS数据收集系统组成的机载控制系统；第三部分为客户端软件系统。GPS四旋翼飞行器定位系统依据ArduPilotMega飞行控制板的运行原理，使用GPRS网络技术作为该系统的数据传输渠道，以实现将GPS定位系统所收集的四旋翼飞行器飞行信息完全传输至控制系统中，同时运用使用VisualStudio2013基于C#软件在Windows操作系统的计算机上编写控制软件，最终达到实时监控四旋翼飞行器飞行状况的目的。最后，我在运用GPS定位功能的基础上增加了飞行器模式转换功能的方式，改善了该飞行器的自动返航系统，有效的增加了该飞行器飞行过程的安全性和可控制性[1]。
二、GPS四旋翼飞行器定位系统的硬件设计方案
1、GPS四旋翼飞行器定位系统的硬件模块选择
GPS四旋翼飞行器定位系统硬件模块的选择主要包含以下四个部分：首先，飞行控制板的选择。本次设计所选择的飞行控制板为ArduPilotMega飞行控制板，该类飞行控制板具有功能齐全、价格相对便宜等优点。如它具有基于陀螺儀的自稳功能、基于GPS的定高功能以及PID解算姿态角控制等功能。此外，ArduPilotMega飞行控制板还可以支持稳定的地面站系统，并设置了三个串联接口等，有效地增强了该控制板的适用性，是当前市场上使用最为广泛的飞行控制板之一。其次，外接GPS模块的选择。为了有效地增强GPS定位系统在四旋翼飞行器中的作用，本次设计使用了LEA-6H型号的GPS接收模块，它除了增强GPS定位系统的信号之外，还同时兼容了GLONASS卫星导航系统，精准度远远高于其他型号的GPS模块。再次，核心处理器的选择。本次设计方案所选择的核心控制器为STM32F103R型号的微处理器，该处理器含有2个串行接口，属于新一代M3内核微控制器，具有极强的稳定性和可操作性，是增强四旋翼飞行器安全性能的关键所在。最后，GSM模块的选择。考虑到安装在四旋翼飞行器上的控制系统需要具备与控制软件相互通信的功能，故本次选用了型号为GTM900C的GSM模块，该模块可以同时兼容TC35模块和通用的AT指令集，并设置了标准的SIM卡接口，能够接收接射频天线[2]。
2、GPS四旋翼飞行器其他硬件模块的选择
机架作为飞机的重要组成部分之一，其材质是否结实、重量是否轻盈等，都会在一定程度上影响飞机的飞行性能。笔者在综合分析各飞机支架的特性之后，将飞机机架的设计总结如下：考虑到机架需要承载四旋翼飞行器的无刷电机和飞机螺旋桨的重量，因此，本设计选用了华杰HJ-6504可折叠四旋翼机架，该飞机机架不仅有着加大的尺寸，同时其自身的质量相对较轻，且他能与各类型号的无刷电机和电调相匹配，是当前用于四旋翼飞行器最理想的支架[3]。
三、GPS四旋翼飞行器定位系统的软件设计方案
由于GPS四旋翼飞行器定位系统控制软件需要同时加载飞行器所有的控制键和内容，与用户之间形成一个可视化的交互界面。所以，本设计的软件窗口选用webBrowser浏览器控件，同时采取调用脚本的方式，将百度地图接入该显示窗口中，使该窗口可以显示初始化的百度地图，并且初始化载入事件Form-Load对窗口界面进行初始化，添加下拉列表的串口选择。此外，本设计还通过调用百度地图API的方式实现了系统的地图功能。由于软件页面地图中所显示的信息时利用C#调调试Javascript脚本后实现的，所以，我们必须在网页文件中加入与之相对应的functionn函数，将确保百度地图处于一种初始化的状态中。最后，为了确保webBrowser控件具备直接打开网页文件和载入地图等功能，我们还必须将网页文件添加到项目工程的debug的目录之下。
再有就是，“开始服务”按键应具备同时启动软件和四旋翼飞行器飞行控板的功能，所以，我们在设置该软件时，需要在两者之间建立起通信网络。因此，我们在设置“开始服务”这一按键时，需要建立起一个全新的线路系统，同时设置好端口型号，使各控制模板之间实现四旋翼飞行器的信息共享和交互变化，从而增强该飞行器的可操控性[4]。
四、GPS四旋翼飞行器定位系统的调试与测试
GPS四旋翼飞行器定位系统硬件构成部分包含了集成模块进行搭建和控制系统搭接两个部分。同时使用GTM900C模块和GPS模块作为STM32微处理器由最小集成系统。而电源部分则是使用四旋翼飞行器的机载电池，其电量可以确保飞行器飞行三个小时左右。并使用GND接地线、信号输入线以及信号输出线作为串口的通信线路，以帮助我们就获得四旋翼飞行器的所有信息。最后，我们再GTM900C模块和GPS模块的地线、信息输入线以及信息输出线等接到STM32板的地线接口上，从将整个零散的模块构建成一个统一的整体，便于我们对飞行器的所有性能进行全面的监测。
五、总结与展望
从上文所论述的内容中我们不难看出，GPS定位系统在提高四旋翼飞行器飞行质量、飞行效率以及实用价值等方面都有着十分重要的作用，值得我们在实际工作中使用和推广，但是，受科学技术不发达、工作人员专业知识不扎实以及影响四旋翼飞行器飞行性能的不确定因素多等因素的影响，GPS定位系统在四旋翼飞行器中的使用依然存在着诸多问题，身为设计工作人员的我们，只有在日常的工作中不断总结和积累工作经验，积极完善自身的专业知识和操作技能，才能准确的发现此项工作中存在的不足，并采取行之有效的措施加以应对，为我国飞行器制造行业的不断发展和完善注入新鲜的血液。
参考文献
[1] 李力阳，张志伟.基于单片机的四旋翼飞行器定位导航系统设计[J].信息技术，2015（8）：60-62.
[2] 王立.基于北斗/GPS导航的视觉着陆四旋翼飞行器设计[D].武汉科技大学，2016.
[3] 王其，朱哲夫，陈许健，等.一种基于SINS/GPS的四旋翼飞行器导航系统设计[J].微型电脑应用，2015，31（2）：15-16.
[4] 商可易，赖宇宁，宫艺鸣.基于GPS及光流传感器的四旋翼飞行器[J].数字化用户，2014.