使用GPS传感器的飞行器自动抛物系统设计

引言

现代飞行器在社会各领域都有广泛的应用，其中利用飞行器进行物资的运输投放也颇为常见。例如，在发生重大自然灾害时，由于路面交通的损坏，将使得空中运输成为受灾区域各物资来源的唯一途径[1]。以往飞行员在投放物资时，往往根据经验通过目测来确定投放时机，但是这样往往会给地面人员的物资拾取带来很大的不便，尤其是在地理环境复杂的山区[2]。GPS传感器是一种能够全天候、实时地提供载置信息的传感器，在很多领域均有广泛应用[3]。若能利用GPS传感器采集详细的飞行器位置信息，并通过飞行器中央处理单元依据这些信息快速计算出抛物的准确时机，则可以有效地提高物资投放的准确性。此外，飞行器抛物系统在军事上也有广泛用途，如利用无人飞行器进行投弹等。

本设计将GPS数字传感器整合到小型无人飞行器上，经ADuC7026单片机精确运算处理后，对目标位置进行准确抛物。

总体方案设计及飞行抛物算法

总体设计

本文设计的飞行器抛物系统的抛物过程如图1所示，为了能精确地将物体投掷到目标点，必须在飞行器距离目标点一定距离时便提前开启抛物装置，使物体在空中以一定的初速度做自由落体运动直至到达目标点。

飞行器抛物系统主要分为测量传感单元、主控单元和执行单元，如图2所示。测量传感单元采用Trimble公司生产的C2626型GPS数字传感模块和ADI公司生产的ADXRS612型MEMS陀螺仪，主要用于获取飞行器的空间坐标及俯仰角信息。主控模块采用ADI公司生产的ADuC7026单片机，用于实现对位置坐标的采集及解算，并结合抛物算法输出控制指令驱动执行模块抛物。

本设计中，将欲投掷目标点的坐标信息预先写入单片机，然后由ADuC7026单片机接收GPS的导航电文，解码出当前位置的经纬度、高度、水平速度，并结合陀螺仪检测出当前的俯仰角。最后根据飞行高度、水平速度、俯仰角以及飞机与目标点的相对位置信息，计算出最佳抛物时机所处的位置，当飞机到达此位置时，由ADuC7026单片机产生的PWM信号控制舵机使之打开挡板开关，最终实现自动抛物。

飞行抛物算法为了更全面地分

析飞行器抛物过程，可以将一个随机的抛物过程可以分为两种类型，即斜上抛物和斜下抛物(水平抛物可以看作上述两种类型的特殊情况)，这两种类型分别对应俯仰角α>0和α

从起抛点到目标点的水平距离即为提前抛掷阈值，根据抛物运动的相关知识不难得出以下公式：

斜上抛物时提前抛物距离阈值D1

俯仰角的修正

虽然MEMS陀螺仪具有体积小、成本低、易于集成等优点，但是它的速率输出易受温度等环境因素影响而产生漂移，这会给俯仰角的测量带来随时间不断积累的误差[4]。而通过GPS传感器的修正可以较好地弥补这一不足，修正方法如下：

利用GPS传感器求取俯仰角的方法如图4所示。只要计算出飞行器当前时刻与前一时刻的高度差H?和水

若设定G P S信息更新频率为5Hz(即每200ms导航电文更新一次)，那么单片机每隔200ms就将通过GPS传感器的信息对俯仰角进行一次修正。相对于采用单一传感器测量的方式而言，这种采用MEMS陀螺仪与GPS传感器结合测量俯仰角的方式即保证了实时性又提高了测量精度。

本系统采用电压为12V的大容量锂聚合物电池供电，经稳压芯片处理后供给各单元电路，主要硬件单元连接框图如图5所示。

主控单元

本设计中主控芯片采用的是ADI公司的ADuC7026单片机。ADuC7026集成了ARM7TDMI内核，其外设包括一个比较器，可编程逻辑阵列(PLA)和3相脉宽调制(PWM)发生器，40个通用I/O口，1个UART等。当工作在41.78MHz时，其功耗一般是120mW[5]。可见，ADuC7026单片机具有较低的功耗和优越的性能，满足本系统设计要求。

传感器单元

GPS传感器采用Trimble公司生产的C2626型GPS模块，它具有体积小、定位快速准确等优点，并提供多种格式的导航电文输出，它可以通过UART串口把坐标信息传送给ADuC7026单片机进行处理。陀螺仪采用ADI公司生产的ADXRS612型陀螺仪，它的测量范围可达±300°/s，采用模拟电压输出，可以通过单片机的ADC进行数据采样。

执行单元

执行单元采用Futaba S3003型舵机来驱动机械投掷装置。舵机的驱动信号是一个周期为20ms，脉宽在1ms至2ms之间变化的PWM信号，脉宽为1ms时对应舵机的左极限位置，对应机械装置闭合。脉宽为2ms时对应舵机的右极限位置，对应机械装置开启。利用ADuC7026单片机的PWM发生器编程产生的驱动信号如图6和图7所示，两信号分别对应机械装置闭合和开启，信号采用RIGOL DS5202型数字示波器测量。可见通过设置单片机输出PWM的脉宽就可以控制抛物装置的开关状态。

软件流程设计

GPS的解码

GPS的解码是本次设计的关键，Trimble C2626型GPS数字传感模块提供基于NMEA-0183协议的5种格式的导航电文输出，分别为GPGGA、GPRMC、GPGSA、GPGSV以及GPGLL。为了即获取足够的导航信息又能提高系统的实时性，本设计仅对GPGGA格式的导航电文进行接收解码。设置单片机串口波特率为9600bit/s，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。当接收到卫星信号时，一条GPGGA格式的导航电文如下例所示：

$GPGGA,081545.00,4544.7518,N,1 2317.5230,E,1,08,1.6,140.0,M,14.2,M,,*4 A。

对一些关键数据的说明如下：

$GPGGA：数据帧头，代表GPS固定数据

输出语句；081545.00：24小时制UTC时间，格式为hh/mm/ss/.ss；

4544.7518：当前纬度值，度分格式；

N：纬度方向，N(北纬)或S(南纬)；

12317.5230：当前经度值，度分格式；

E：经度方向，E(东经)或W(西经)；

140.0：接收机天线所处位置海拔高度；

M：代表单位米。

分析可以看出，导航电文以“$”符开始，回车符结束，各种信息间以逗号“,”分开，根据这个规律，可以编写解码程序将各种导航信息分类存储，软件流程如图8所示。

飞行抛物的控制

抛物控制的软件流程如图9所示。系统首先装载目标位置坐标信息，然后采集传感器信息并进行运算处理，当距目标距离d小于等于提前抛掷距离阈值D时，开始抛物。抛物结束后，延时5秒钟，当飞行器飞出投掷目标范围后舵机挡板自动闭合收起。

实验与调试

为了减小高大建筑物对信号的遮蔽和反射，实验选在郊外开阔的广场，在近似无风的天气下进行测试。抛投物体分别选择重量为200g的布袋、水袋和沙袋以尽可能全面地模拟实际情况。实验结果如表1所示，表中数据是重复实验十次后取平均值所得。

结语

本文分析了飞行抛物算法公式，制定了各参量的求解方法，并且针对MEMS陀螺仪测角误差随时间积累的不足，利用GPS传感器进行了俯仰角的校正，设计了飞行器抛物的控制流程。最后经过多次调试实验，结果表明，对于一些密度较大，受风力影响较小的物体可以实现准确定点抛物。如何减小或补偿风力的影响是下一步研究的方向。

参考文献：

[1] 朱延波等.一种新型空投用缓冲装置的设计[J].机械设计,2011,28(6):67-68

[2] 孙爱军.空抛物资搜寻指挥系统的解决方案[J].无线电通信技术,2003,29(2):6-7

[3] 李文新等.基于ARM9与WindowsCE的车辆GPS定位信息采集系统[J].电子设计工程,2010,18(6):80-81

[4] 翁海诠等.基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法研究[J].仪器仪表学报,2011,32(10):2372-2373

[5] Analog Devices, Inc. ADuC7026 Datasheet[Z].2006