基于慣導以及GPS的飛行器定位系統

許多倫，蔡宇哲，薛松浩，余心軍

（上海工程技術大學航空運輸學院 飛行學院 上海 201620）

1 引言

本項目立足于國內外先進的航拍飛行器制造技術，結合上位機數據傳輸功能的無人機的控制及位置跟蹤平臺，設計裝配出的一套全新的無人機飛行器飛行定位控制系統。

數據輸出系統是以無人機為被控對象，通通過上位機數據傳輸系統輸出無人機的飛行數據，主要作用是穩定和監控無人機的飛行參數，飛行狀態，飛行航向，實施無人機操控者對無人機的操控，從而實現對無人機，飛行姿態，飛行速度，飛行航向等重要飛行參數的實時監控。

數據輸出系統主要由三個部分組成。數據模塊，飛行器，數據輸出軟件。模塊部分中包括慣導模塊，GPS模塊。飛行器則是四翼旋翼機。數據輸出系統及上位機軟件，他可以幫助操縱者得知無人機輸出的各項飛行參數，幫助操縱者更直觀的了解無人機的飛行參數，幫助操控者更為經足額的操控無人飛行器。

上位機模塊軟件在實時領域，是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的的慣導GPS模塊軟件來完成各種測試、測量以及數據輸出。

目前在虛擬儀器領域，目前應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，使用上位機數據模塊進行程序設計時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，進行數據分析與輸出，它用芯片以及計算機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，同時降低了無人機飛行器使用者的入門門檻，是受眾面更加廣泛。上位機模塊是有高性能的模塊化的軟硬件，使其具有高性能、擴展強、開發周期短，泛用性強的特點。正因為以上羅列的這些優點，在這次項目的測試使用過程中，我們選擇它作為我們最主要的數據分析輸出系統。

2 基于慣導以及GPS的飛行器定位系統

“基于慣導以及GPS的飛行器定位系統”主要采用衛星定位系統，包括GPS定位，慣性導航系統等。

本設計立足國內外先進的定位設備，通過自主設計一套將GPS，INS模塊優點結合，從而將使輸出數據更為精準的數據輸出軟件，得到遙控無人機的飛行軌跡，飛行速度，航向等重要飛行參數。幫助操控者更直觀的了解無人機實時的飛行參數。

該平臺分飛行控制操縱部件，數據模塊，顯示端這三個部分。飛行器模塊主要工作任務是提供飛行器空間定位系統載體；數據模塊部分的主要工作任務分析輸出數據；顯示操作終端模塊的主要工作任務是顯示實時的飛行參數。

就無人機硬件部分，該平臺配置了一套四軸飛行器，其中包括飛行器本身、用于穩定攝像機的云臺、用于控制飛行器的遙控器、用于顯示實時飛行參數的計算機、用于飛行器的航向，高度，速度，等信息的上位機數據傳輸設備。

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

該平臺的軟件設計部分則是借助上位機數據輸出軟件開發出一套能夠實時監測無人機飛行狀態及飛行參數的系統。

可劃分為飛機舵面及姿態信息顯示窗口、無人機參數輸出窗口等兩個模塊，以下為兩個模塊的功能說明：

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

圖1 上位機數據輸出軟件

（2）無人機參數輸出窗口：主要用于輸出無人機實時的飛行參數。例如角速度，飛行的角度等。除了主控制系統，該平臺還設計實現了基于慣導以及GPS飛行定位系統對無人機的飛行姿態，參數的控制和輸出都是實時的，而且在該系統中輸出的數據模塊界面直觀易懂，對于數據輸出種類，姿態的的展示都簡潔明了。面板上顯示飛機的平飛、俯仰、轉彎等姿態，并且以數據的形式直觀地體現給操作者。

3 結語

該平臺的特點在于集成度高，即：能采用上位機數據輸出系統，INS、GPS等來采集飛行器航行姿態及軌跡等飛行數據，并動態跟蹤飛機位置，高度等一系列飛行參數。

此外，該平臺可拓展性也較強，可實現對多無人機參數實時采集及信息融合修正等數據處理的相關設計。

該平臺應用前景廣泛，可用于航拍，重大活動時的無人機飛行操控，利于主辦方，操縱者在布置設計方面特供更多的參數。還可以讓操縱者更快地發現無人機飛行中姿態，航向上的問題，從而降低無人機飛行活動中的錯誤率。也可安裝在小型飛機上，從而在飛行姿態記錄儀中記錄飛行時飛機在各個時間點上的姿態以及各個舵面的變化情況，實時輸出的飛行參數還可以以用于飛行后的飛行質量總結和飛行事故癥候的評估。

此外，也可用于飛行事故后的分析，可通過數據回放的形式來觀測飛機各個時段飛機飛行的姿態，飛行的速度為飛行事故的分析提供更多直觀，簡潔的數據資料。