基于北斗导航模块的固定翼无人机遥测系统设计

基于北斗导航模块的固定翼无人机遥测系统设计

杨芳芳1，檀朝彬1，赵振1，刘亚晶1

（1.北华航天工业学院，河北廊坊065000）

摘要：随着科学技术的发展,从军用到民用北斗系统和无人机越来越接近普通人的生活。相对多轴无人机而言,固定翼无人机具有速度快、航程远、航时长等突出优势。本课题利用机载北斗导航系统对无人机进行定位和导航设计一款飞行速度快、飞行时间长、飞行半径大的固定翼无人机长距无线遥控遥测系统适应日后需求。

关键词：固定翼无人机，北斗导航系统，定位

Design of telemetry system for fixed wing UAV Based on Beidou navigation module

Yang Fangfang1, TanZhaobin1, Zhao Zhen1，LiuYajing1

(1.North China Institute Of Aerospace Engineering,Lang Fang Hebei 065000)

Abstract: With the development of science and technology, from military to civil, Beidou system and UAV are closer and closer to the life of ordinary people. Compared with multi axis UAV, fixed wing UAV has outstanding advantages such as high speed, long range and long flight time. This topic uses the airborne Beidou navigation system to locate and navigate the UAV, and designs a long-distance wireless remote control and telemetry system of fixed wing UAV with fast flight speed, long flight time and large flight radius to meet the needs of the future.

Key words: Fixed wing UAV, Beidou navigation system, Positioning

0引言

最近几年,从生活中、从网络新闻中我们发现,越来越多的人开始使用无人机。随着无人机技术的发展，无人机的成本越来越低，我国目前正大力推进民用无人机研究和开发工作。从飞机构造和飞行原理定义区分无人机,无人机主要有伞翼机、固定翼机、多旋翼飞行器等几大类。其中由于固定翼无人机具有较好的机动性(飞行速度快、飞行效率高、飞行距离远)、系统结构简单、稳定性高、成本与使用费用低等优点，所以一直以来是国内外的研究热点[1]。

对于无人机而言,导航系统是必不可少的。目前世界上有四个个成熟的卫星导航系统,分别是中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧洲的伽利略卫星导航系统。研究基于北斗系统定位与导航的固定翼无人机长距无线遥控遥测系统对我国自主研发的北斗卫星导航系统的发展有有效的促进作用。

1固定翼无人机

1.1 固定翼无人机飞行原理

丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”[2]。伯努利定律是固定翼无人机飞行的基本原理。简单的说流体的速度越大,静压力越小,速度越小,静压力越大。(这里的流体一般指空气或水。) 

固定翼无人机的升力主要是由机翼提供的，机翼下部平整，上部呈弧形，机翼在机体两侧并且固定。飞机起飞前开始加速,当加速到特定速度,此时固定翼上方空气速度快,向下压力小,固定翼下方空气速度慢,向上压力大。机翼上下静压力相和,合力向上机翼就会被往上推,当机翼受到向上的推力大于自身重量时就会起飞。

1.2固定翼无人机物理规格

本次设计无人机的物理规格参数如表1.1所示：

表 1.1  无人机部件表

2北斗定位系统

北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统[3]。该系统由北斗定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务,授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度,其定位精度与GPS相当。北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。

2.1北斗芯片特点

BD/GPS多模芯片为我国完全自主开发的芯片。这款芯片所有关键技术,中国拥有百分百的自主知识产权。BD/GPS多模芯片多线程处理器结构方面领先于世界其他各国。芯片在共享硬件资源的同时,可以提供多核处理器的处理能力,降低生产成本。而基于该国产处理器卫星导航芯片方案的模块,是全球体积最小的BD/GPS双模模块,具有定位精度高、启动时间快及功耗低等特点。

2.2 定位模块选择

本次设计中选择正点原子的ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块，模块核心采用SkyTraq公司的S1216F8-BD模组，具有167个通道，追踪灵敏度高达-165dBm，测量输出频率最高可达20Hz。

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块同外部设备的通信接口采用 UART（串口）方式，输出的 GPS/北斗定位数据采用 NMEA-0183 协议（默认），控制协议为SkyTraq协议。

3遥控设计

3.1遥控系统结构

本次设计中，设计了两种控制方式。其中，遥控控制是主要控制方式。STM32C8T6芯片通过ADC采集到四路模拟量的变化，将变化量转化为舵机的操作指令，并将指令按照一定格式通过无线发送出去。

3.2 原理步骤

利用本遥控具有的滑动变阻器组和开关，当改变摇杆位置或开关状态时相应阻值就会发生变化，利用STM32具有的ADC数据采集功能，可以将阻值变化转换为数字量变化，通过实验得到这些数字量变化范围，将其与舵机转动角度分别对应起来，经过程序处理变为可控制舵机的指令。

遥控系统硬件设计步骤如下：

（1）设计数据采集模块；

（2）使用螺丝刀打开遥控器后盖，拆除不需要的电线及原有模块；

（3）使用数据采集模块，利用ADC实验将摇杆及开关的信号线、电源线一一对应起来；

（4）将设计的数据采集模块安装在遥控器内，安装遥控器后盖。

（5）上电测试。

3.3摄像头加载

无人机与普通飞机的区别之一就是有无驾驶员的区别。普通飞机在进行飞行时，驾驶员可以通过肉眼或其他机载仪器观察飞机飞行状态和周边环境（例如，是否有鸟群。），但是无人机没有驾驶员，只能通过安装仪器来观察飞机的飞行状态和周边环境[4]。

本次设计的无人机进行短距离低空飞行时，可以凭借肉眼观察到无人机的飞行状态和周边环境。但是当无人机进行长距离飞行时不能凭肉眼观察无人机的飞行状态和周边环境。因此需要在无人机上加载设备，此设备可以用来确定无人机飞行状态和周边环境。

本次设计基于应用机器视觉的图像聚类和分类应用，建立标准样本图片数据库，针对画面显示内容进行聚类和数据训练，并建立训练数据集。实现对无人机采集到的图片内容自动识别与分类。

3.4遥控程序设计

遥控程序设计即采集摇杆及开关阻值变化程序（当开关断开，阻值看成无限大）。将原来模拟遥控改造成数字遥控。

程序过程如下：

（1）程序初始化；

（2）判断是否采集到数据，如采集到数据，转至（3），否则转至（5）；

（3）将数据整理发送给舵机；

（4）发送完成返回数据采集阶段；

（5）未采集到数据，LED闪烁，返回至数据采集阶段，进行新的数据采集。

（6）直至数据采集完成。

4结论

本次设计基于北斗系统定位与导航的固定翼无人机长距无线遥控遥测系统，主要应用了北斗定位、数据无线传输、数据遥控等技术。随着科学技术的发展，相信在不久的将来，无人机一定会对人们的生活和社会发展产生重大影响。由于固定翼无人机具有不可替代的优势，它的应用也会越来越广泛。

参考文献

[1] 黄世龙,顾雪平,张建成. 用于电力巡线的新型油动固定翼无人机设计[J].电力系统自动化,2014,4(38):104-108.

[2] 严导淦. 流体力学中的总流伯努利方程[J].物理与工程,2014,4(24):47-53.

[3]杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,1(39):1-6.

[4] 彭文亮，梁 祝，李智峰. 基于机器视觉的无人机识别系统算法分析[J].电子设计工程,2019,11(27):150-153.

[基金项目]廊坊市科技支撑计划项目（2019011006）；廊坊市科技支撑计划项目（2019011045）；北华航天工业学院校基金项目（KY-2020-12）；教育部产学合作协同育人项目（201901063002）；北华航天工业学院校基金项目（KY-2021-06）。

[作者简介]杨芳芳（1984-），女，硕士，河北省廊坊市人，北华航天工业学院电子与控制工程学院讲师，研究方向：计算机应用技术，图形图像处理。檀朝彬（1977-），博士，北华航天工业学院电子与控制工程学院教授，研究方向：数据通信。赵振（1981-），硕士，北华航天工业学院电子与控制工程学院讲师，研究方向：检测技术

[通讯作者]刘亚晶（1993-），女，硕士，北华航天工业学院电子与控制工程学院讲师，研究方向：控制工程。