基于惯导以及GPS的飞行器定位系统

许多伦，蔡宇哲，薛松浩，余心军

（上海工程技术大学航空运输学院 飞行学院 上海 201620）

1 引言

本项目立足于国内外先进的航拍飞行器制造技术，结合上位机数据传输功能的无人机的控制及位置跟踪平台，设计装配出的一套全新的无人机飞行器飞行定位控制系统。

数据输出系统是以无人机为被控对象，通通过上位机数据传输系统输出无人机的飞行数据，主要作用是稳定和监控无人机的飞行参数，飞行状态，飞行航向，实施无人机操控者对无人机的操控，从而实现对无人机，飞行姿态，飞行速度，飞行航向等重要飞行参数的实时监控。

数据输出系统主要由三个部分组成。数据模块，飞行器，数据输出软件。模块部分中包括惯导模块，GPS模块。飞行器则是四翼旋翼机。数据输出系统及上位机软件，他可以帮助操纵者得知无人机输出的各项飞行参数，帮助操纵者更直观的了解无人机的飞行参数，帮助操控者更为经足额的操控无人飞行器。

上位机模块软件在实时领域，是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的的惯导GPS模块软件来完成各种测试、测量以及数据输出。

目前在虚拟仪器领域，目前应用较广的软件就是美国NI公司的Labview称为“G语言”，是一种图形化的程序语言。

与Labview，以及其他很多软件的不同之处是，使用上位机数据模块进行程序设计时不需要编辑程序代码，而是直接使用芯片模块与飞行器的的连接，进行数据分析与输出，它用芯片以及计算机的直接连接代替原有的程序代码，使操纵者可以直观的理解程序的流程，同时降低了无人机飞行器使用者的入门门槛，是受众面更加广泛。上位机模块是有高性能的模块化的软硬件，使其具有高性能、扩展强、开发周期短，泛用性强的特点。正因为以上罗列的这些优点，在这次项目的测试使用过程中，我们选择它作为我们最主要的数据分析输出系统。

2 基于惯导以及GPS的飞行器定位系统

“基于惯导以及GPS的飞行器定位系统”主要采用卫星定位系统，包括GPS定位，惯性导航系统等。

本设计立足国内外先进的定位设备，通过自主设计一套将GPS，INS模块优点结合，从而将使输出数据更为精准的数据输出软件，得到遥控无人机的飞行轨迹，飞行速度，航向等重要飞行参数。帮助操控者更直观的了解无人机实时的飞行参数。

该平台分飞行控制操纵部件，数据模块，显示端这三个部分。飞行器模块主要工作任务是提供飞行器空间定位系统载体；数据模块部分的主要工作任务分析输出数据；显示操作终端模块的主要工作任务是显示实时的飞行参数。

就无人机硬件部分，该平台配置了一套四轴飞行器，其中包括飞行器本身、用于稳定摄像机的云台、用于控制飞行器的遥控器、用于显示实时飞行参数的计算机、用于飞行器的航向，高度，速度，等信息的上位机数据传输设备。

四旋翼机的稳定性在所有航空器中最高。它可自动调节，使机身具有良好的俯仰稳定性、滚转稳定性和速度稳定性。由于旋翼视的旋翼安装角比直升机的要大些，所以具有更好的陀螺效应，稳定性也大大提高。

该平台的软件设计部分则是借助上位机数据输出软件开发出一套能够实时监测无人机飞行状态及飞行参数的系统。

可划分为飞机舵面及姿态信息显示窗口、无人机参数输出窗口等两个模块，以下为两个模块的功能说明：

（1）飞机舵面及姿态信息显示窗口（见图1）：主要用来直观显示飞机各个飞行参数包括航向，姿态。通过无人机遥控器操作的上下或左右移动来控制飞机进行滚转，俯仰，偏航等姿态变化并且可以精确控制飞机的飞行速度从而操作飞机进行上升或下降等姿态上的变化。

图1 上位机数据输出软件

（2）无人机参数输出窗口：主要用于输出无人机实时的飞行参数。例如角速度，飞行的角度等。除了主控制系统，该平台还设计实现了基于惯导以及GPS飞行定位系统对无人机的飞行姿态，参数的控制和输出都是实时的，而且在该系统中输出的数据模块界面直观易懂，对于数据输出种类，姿态的的展示都简洁明了。面板上显示飞机的平飞、俯仰、转弯等姿态，并且以数据的形式直观地体现给操作者。

3 结语

该平台的特点在于集成度高，即：能采用上位机数据输出系统，INS、GPS等来采集飞行器航行姿态及轨迹等飞行数据，并动态跟踪飞机位置，高度等一系列飞行参数。

此外，该平台可拓展性也较强，可实现对多无人机参数实时采集及信息融合修正等数据处理的相关设计。

该平台应用前景广泛，可用于航拍，重大活动时的无人机飞行操控，利于主办方，操纵者在布置设计方面特供更多的参数。还可以让操纵者更快地发现无人机飞行中姿态，航向上的问题，从而降低无人机飞行活动中的错误率。也可安装在小型飞机上，从而在飞行姿态记录仪中记录飞行时飞机在各个时间点上的姿态以及各个舵面的变化情况，实时输出的飞行参数还可以以用于飞行后的飞行质量总结和飞行事故症候的评估。

此外，也可用于飞行事故后的分析，可通过数据回放的形式来观测飞机各个时段飞机飞行的姿态，飞行的速度为飞行事故的分析提供更多直观，简洁的数据资料。