基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)

許多倫，蔡宇哲，薛松浩，余心軍

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院 飛行學(xué)院 上海 201620）

1 引言

本項(xiàng)目立足于國內(nèi)外先進(jìn)的航拍飛行器制造技術(shù)，結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能的無人機(jī)的控制及位置跟蹤平臺，設(shè)計(jì)裝配出的一套全新的無人機(jī)飛行器飛行定位控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)是以無人機(jī)為被控對象，通通過上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)輸出無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)，主要作用是穩(wěn)定和監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行參數(shù)，飛行狀態(tài)，飛行航向，實(shí)施無人機(jī)操控者對無人機(jī)的操控，從而實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)，飛行姿態(tài)，飛行速度，飛行航向等重要飛行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)模塊，飛行器，數(shù)據(jù)輸出軟件。模塊部分中包括慣導(dǎo)模塊，GPS模塊。飛行器則是四翼旋翼機(jī)。數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)及上位機(jī)軟件，他可以幫助操縱者得知無人機(jī)輸出的各項(xiàng)飛行參數(shù)，幫助操縱者更直觀的了解無人機(jī)的飛行參數(shù)，幫助操控者更為經(jīng)足額的操控?zé)o人飛行器。

上位機(jī)模塊軟件在實(shí)時(shí)領(lǐng)域，是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的的慣導(dǎo)GPS模塊軟件來完成各種測試、測量以及數(shù)據(jù)輸出。

目前在虛擬儀器領(lǐng)域，目前應(yīng)用較廣的軟件就是美國NI公司的Labview稱為“G語言”，是一種圖形化的程序語言。

與Labview，以及其他很多軟件的不同之處是，使用上位機(jī)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)不需要編輯程序代碼，而是直接使用芯片模塊與飛行器的的連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與輸出，它用芯片以及計(jì)算機(jī)的直接連接代替原有的程序代碼，使操縱者可以直觀的理解程序的流程，同時(shí)降低了無人機(jī)飛行器使用者的入門門檻，是受眾面更加廣泛。上位機(jī)模塊是有高性能的模塊化的軟硬件，使其具有高性能、擴(kuò)展強(qiáng)、開發(fā)周期短，泛用性強(qiáng)的特點(diǎn)。正因?yàn)橐陨狭_列的這些優(yōu)點(diǎn)，在這次項(xiàng)目的測試使用過程中，我們選擇它作為我們最主要的數(shù)據(jù)分析輸出系統(tǒng)。

2 基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)

“基于慣導(dǎo)以及GPS的飛行器定位系統(tǒng)”主要采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括GPS定位，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

本設(shè)計(jì)立足國內(nèi)外先進(jìn)的定位設(shè)備，通過自主設(shè)計(jì)一套將GPS，INS模塊優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，從而將使輸出數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)輸出軟件，得到遙控?zé)o人機(jī)的飛行軌跡，飛行速度，航向等重要飛行參數(shù)。幫助操控者更直觀的了解無人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。

該平臺分飛行控制操縱部件，數(shù)據(jù)模塊，顯示端這三個(gè)部分。飛行器模塊主要工作任務(wù)是提供飛行器空間定位系統(tǒng)載體；數(shù)據(jù)模塊部分的主要工作任務(wù)分析輸出數(shù)據(jù)；顯示操作終端模塊的主要工作任務(wù)是顯示實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。

就無人機(jī)硬件部分，該平臺配置了一套四軸飛行器，其中包括飛行器本身、用于穩(wěn)定攝像機(jī)的云臺、用于控制飛行器的遙控器、用于顯示實(shí)時(shí)飛行參數(shù)的計(jì)算機(jī)、用于飛行器的航向，高度，速度，等信息的上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。

四旋翼機(jī)的穩(wěn)定性在所有航空器中最高。它可自動調(diào)節(jié)，使機(jī)身具有良好的俯仰穩(wěn)定性、滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和速度穩(wěn)定性。由于旋翼視的旋翼安裝角比直升機(jī)的要大些，所以具有更好的陀螺效應(yīng)，穩(wěn)定性也大大提高。

該平臺的軟件設(shè)計(jì)部分則是借助上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出軟件開發(fā)出一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測無人機(jī)飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)的系統(tǒng)。

可劃分為飛機(jī)舵面及姿態(tài)信息顯示窗口、無人機(jī)參數(shù)輸出窗口等兩個(gè)模塊，以下為兩個(gè)模塊的功能說明：

（1）飛機(jī)舵面及姿態(tài)信息顯示窗口（見圖1）：主要用來直觀顯示飛機(jī)各個(gè)飛行參數(shù)包括航向，姿態(tài)。通過無人機(jī)遙控器操作的上下或左右移動來控制飛機(jī)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)，俯仰，偏航等姿態(tài)變化并且可以精確控制飛機(jī)的飛行速度從而操作飛機(jī)進(jìn)行上升或下降等姿態(tài)上的變化。

圖1 上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出軟件

（2）無人機(jī)參數(shù)輸出窗口：主要用于輸出無人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行參數(shù)。例如角速度，飛行的角度等。除了主控制系統(tǒng)，該平臺還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于慣導(dǎo)以及GPS飛行定位系統(tǒng)對無人機(jī)的飛行姿態(tài)，參數(shù)的控制和輸出都是實(shí)時(shí)的，而且在該系統(tǒng)中輸出的數(shù)據(jù)模塊界面直觀易懂，對于數(shù)據(jù)輸出種類，姿態(tài)的的展示都簡潔明了。面板上顯示飛機(jī)的平飛、俯仰、轉(zhuǎn)彎等姿態(tài)，并且以數(shù)據(jù)的形式直觀地體現(xiàn)給操作者。

3 結(jié)語

該平臺的特點(diǎn)在于集成度高，即：能采用上位機(jī)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)，INS、GPS等來采集飛行器航行姿態(tài)及軌跡等飛行數(shù)據(jù)，并動態(tài)跟蹤飛機(jī)位置，高度等一系列飛行參數(shù)。

此外，該平臺可拓展性也較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對多無人機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)采集及信息融合修正等數(shù)據(jù)處理的相關(guān)設(shè)計(jì)。

該平臺應(yīng)用前景廣泛，可用于航拍，重大活動時(shí)的無人機(jī)飛行操控，利于主辦方，操縱者在布置設(shè)計(jì)方面特供更多的參數(shù)。還可以讓操縱者更快地發(fā)現(xiàn)無人機(jī)飛行中姿態(tài)，航向上的問題，從而降低無人機(jī)飛行活動中的錯(cuò)誤率。也可安裝在小型飛機(jī)上，從而在飛行姿態(tài)記錄儀中記錄飛行時(shí)飛機(jī)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的姿態(tài)以及各個(gè)舵面的變化情況，實(shí)時(shí)輸出的飛行參數(shù)還可以以用于飛行后的飛行質(zhì)量總結(jié)和飛行事故癥候的評估。

此外，也可用于飛行事故后的分析，可通過數(shù)據(jù)回放的形式來觀測飛機(jī)各個(gè)時(shí)段飛機(jī)飛行的姿態(tài)，飛行的速度為飛行事故的分析提供更多直觀，簡潔的數(shù)據(jù)資料。