题 目 基于多旋翼无人机的 GPS 模块设计

摘要：

本文基于新型 STM32F4 系列为核心，本文设计的多旋翼无人机 GPS 模块的总体方案，

并设计了硬件和软件。所述 ARM STM32F405R 被用作芯微控制器开发和设计所述多旋翼

UAV GPS 模块的硬件平台。硬件平台集成的最低系统电路，串行通信电路，网线接口电路，

传感器电路和电源电路。传感器电路包括传感器电路。磁航向传感器电路， GPS 电路。完成

了硬件平台的设计，焊接和调试。它由一个高精度的 GPS 接收模块和无线通信模块的。所

述无线通信模块是负责与雄蜂通信。之后，无人机可以飞行稳定和接收地面目标的 GPS 坐

标，完成基于 GPS 的无人机导航设计，可以使得无人机能够朝着目标 GPS 位置飞行。

关键词： 多旋翼无人机、 GPS 、导航系统

Design of GPS Module based on Multi-rotor UAV

Yiyue Zuo

Binjiang College, Nanjing University of Information Engineering, Nanjing, Jiangsu 210044

Abstract ： In this paper, based on the new STM32F4 series, the overall scheme of GPS module of

multi-rotor UAV is designed, and the scheme is designed around hardware and software. The

hardware platform of GPS module of multi-rotor UAV is developed and designed with ARM

STM32F405R as the core microcontroller. The hardware platform integrates minimum system

circuit, serial communication circuit, network line interface circuit, sensor circuit and power

supply circuit. The sensor circuit includes sensor circuit, magnetic heading sensor circuit and GPS

circuit. The design, welding and debugging of the hardware platform are completed. By a high

precision GPS The receiving module and the wireless communication module are composed of the

wireless communication module, which is responsible for communicating with the UAV. After the

UAV can stabilize the flight and receive the GPS coordinates of the ground target, the UAV

navigation design based on GPS is completed. Enables drones to fly towards the target GPS

position.

Key words : multi-rotor UAV, GPS, Navigation system

目录

1 无人机简介

.....................................................................................................................................

5

1.1 背景与意义 .........................................................................................................................5

1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................5

1.3 论文主要工作 ......................................................................................................................6

2 GPS 模块硬件设计 .........................................................................................................................7

2.1 GPS 模块选择 .....................................................................................................................7

2.2 接口 .....................................................................................................................................7

2.2.1 UART .........................................................................................................................7

2.2.2 USB ...........................................................................................................................7

2.2.3 显示数据通道（DDC） ...........................................................................................8

2.2.4 SPI ...........................................................................................................................8

2.3 硬件主要器件选型 ..............................................................................................................8

2.3.1 主控制器 .................................................................................................................8

2.3.2 传感器 .....................................................................................................................9

2.3.3 磁强计数据采集 .....................................................................................................9

2.3.4 CAN 总线通信硬件 ................................................................................................10

2.3.5 GPS 电路设计 .......................................................................................................11

2.4 PCB 布线 ..........................................................................................................................12

3 传感器和 GPS 接收机板 ...............................................................................................................12

3.1 GPS 传感器 .......................................................................................................................12

3.2 GPS 接收机板 ...................................................................................................................13

3.3 GPS 协议 ...........................................................................................................................13

3.4 GPS 导航的组成 ...............................................................................................................13

4 GPS 模块软件编程 .......................................................................................................................14

4.1 软件开发环境介绍 ...........................................................................................................14

4.2 软件结构 ...........................................................................................................................14

4.3 底层驱动软件的设计与开发 ...........................................................................................15

4.3.1 系统的启动过程 .................................................................................................15

4.3.2 串口驱动的设计 .................................................................................................16

4.3.3 CAN 总线驱动设计 ...............................................................................................17

4.3.4 传感器驱动设计 ...................................................................................................19

4.4 系统初始化 .......................................................................................................................20

4.5 GPS 模块数据采集 ............................................................................................................21

4.6 GPS 模块软件调试 ...........................................................................................................21

5 总结 ...............................................................................................................................................23

参考文献 ...........................................................................................................................................24

致谢 ...................................................................................................................................................26

1 无人机简介

1.1 背景与意义

UAV （ unmanned aerial vehicle ）即无人机。无人机是无人驾驶飞行器的一种泛称，

相对于有人驾驶飞行器而言，无人机实现了无人控制，在飞行时依飞行器的动力装置所获

得的升力来抵消飞行器自身的重量，可通过遥控设备或自主飞行来实现复杂的空中飞行任

务。在众多的无人机类型中，四旋翼飞行器具有出色的性能，相较于固定翼无人机而言，

四旋翼无人机对于起飞条件的要求更低，可实现垂直起降，其机械架构十分加单，具有负

载能力强，可实现垂直起飞和降落等优点。由于四旋翼飞行器在飞行控制、结构设计、安装

调试等方面的要求较高，因此当前四旋翼飞行器的研究已成为学术界专家学者研究的热点

问题之一。世界上首架真正意义上的无人机由美国学者所研发并试飞成功。在上世纪中期，

随着自动控制技术和导航技术的逐渐发展，为无人机的出现和研发奠定了基础，同时，多

领域的应用需求使其有着无与伦比的发展优势。无人机在当前生产生活中有着较为广泛的

应用：从军事层面上而言，可利用无人机完成复杂作战环境下的战场勘查以及现代反恐作

战之中；从民用层面上而言，无人机可用于航拍和交通巡逻和救灾等诸多领域 [1]。

相较于固定翼无人机而言，多旋翼无人机的优势体现在下述方面：

（ 1 ）操作简单。多旋翼 UAV 可以起飞和垂直降落，和起飞时所用的空气保 持稳 定的 悬停 。

遥控器的四 个 通道可以直 接 控制无人机的前， 后 ， 左 ， 右 ， 偏 航和升降 运 动，一 般 人可以

很容易地 学 会开车 。 然 而，固定翼 UAV 飞行 手 需 经 过系统 培训 ;

（ 2 ）高的可 靠 性。多旋翼无人机机械结构简单，其可 靠 性 仅 与电机有 关 。与固定翼和直升

机， 部 件可以 移 动， 长 期 工 作 部 件可 靠 ;

（ 3 ） 容易维修 。结构简单， 部 件具有 良好 的 互换 性，因此在 部 件 受损后 可 快速 更 换 [2] 。

对多旋翼无人机 市 场 持续增长 ，由于 他 自 己 的 精确 导航系统，多旋翼无人机可以安 全

航行。导航系统作为 核心部 件之一对于无人机的飞行可 靠 性和性能产生重要 影响 。导航 参 数

包含 飞行 姿态 、 GPS 位 置等信 息 。 近年 来，随着 市 场的发展，无人机的 运 行 变 得 越 来 越 简单，

多 转子 无人机 不 具有固定翼无人机的 静态稳 定性， 也没 有单旋翼直升机旋 转特 性。多 转子

无人驾驶飞机的飞行 稳 定完 全取决 于由设计者设计的飞行控制系统上。 近年 来，出现了为

工业 应用和多任务多旋翼无人机的飞行控制系统。 但这些 飞行控制系统 大 多 不稳 定，安 全

可 靠 。 不 同的飞行任务，多旋翼无人机 会 有 不 同的负载要求， 他 的飞行控制性能 也不 同。通

常 ，传统结构的多旋翼无人机， 转子 数量 越 多，负载能力 越 强。无人机飞行控制系统简称

无人机飞控系统， 这 是 整个 航程过程的 核心 系统， 该 系统可以完成 整个 航程过程中， 如 起

飞，空中飞行，任务 执 行，并 返回到 现场 恢 复。事实上， 它 类 似 于 谁 控制了飞机的专 业级

的驱动程 序 。对于无人驾驶飞行器，飞行控制系统无 疑 是一 个核心 技术 [3] 。飞行控制系统的

关键 主要集中在传感器的 三个 模块， 车 载电 脑 ， 伺服 驱动装置，并完成了 姿态 控制。。在四

轴 飞行器的结构相对简单，体 积 可以 小 ，操作简单，起飞和降落 都 方 便 ，而 且 应用程 序 的

性能在 许 多方面是 良好 的。随着 科 技的飞 速 发展， 微 机电系统在 最近几年尤 其是发展 迅速 。

再 加上高 速 低功 耗处理 器技术的发展， 这 是一种多旋翼无人机的发展 提供 了重要的技术基

础。此 外 ， 该 功能的应用空 间非常 广 阔 ，因此 它 已 被许 多人在 最近几年 的广泛 关注 ，并在

四 轴 无人飞行器的研究 文献也 得 到 了 [4] 增 加。

1.2 国内外研究现状

国 外 四旋翼无人机研究相对较 早 ， 始 于上世纪 初 期， 法 国 Breguet 兄弟 在上世纪 初开

始 研发并制 造 当时世界上 第 一架四旋翼直升机，并 进 行了模型的试飞，为以 后 的四旋翼直

升机的发展奠定了一定的 理论 基础。 但 是 受 制于当时技术条件的 限 制， 尤 其是当时自动控

制相 关理论 体系 尚未形 成，因此 最早 的四旋翼直升机中 大 多采 取 机械操作装置 进 行飞行 姿

态 的调控和操作，因此首 次 试飞 也仅局限 于可 短 时 间离开地 面飞行 [11] 。 虽然这次 试飞并 没

有 取 得较为 理想 的 效果 ， 但 是 它 是直升机方面的一 个 重 大创新 ，为四旋翼无人机的发展定

下了一 个开端 ，可以 说这款 四旋翼直升机是四旋翼无人机研究的起点。 到 1921 年 ，美国空

军研制出 另 一 款大 型的四旋翼直升机， 该 无人机由一 个 单发动机驱动， 这款 无人机 先后 一

共进 行了 100 多 次 试飞， 但 是 始终没 有获得一 个良好 的飞行控制， 最终被 美国空军 放弃该

项 目。在随 后 的 几 十 年内 四旋翼无人机 几乎没 有 取 得 什么 发展，直 到 在 近 十 年 来四旋翼无

人机的研究 才取 得了较 大进 展，在 科 研 开 发方面 斯坦福大 学、 麻省理工 学 院 、 瑞士洛桑联邦

科 技学 院 的研究具有较为 典 型的代 表 意义。

当前， 大 多数四旋翼飞行器从 属 性上来 说 应 归 类于 微 型无人机系统， 还 有 部 分四旋翼

飞行器 归属 于 各大院校 和 科 研机构， 除 此之 外 ， 还 有 部 分应用于军事和 商业 领域中发 挥 作

用。在四旋翼无人机的研究中 很 多 项 目的研究方 向都 在无人机的 建 模和控制系统的 仿 真 测

试上。 还 有一 部 分 项 目 则 是对无人机在现实环境下能 否 完成 各 种 各样 的飞行动作，实现自

主飞行的研究上。 例如 ， 瑞士洛桑联邦工 学 院 EPFL 的 OS4 项 目，机载电 子 设备 包含 飞行高

度 传感器、 倾角 传感器、 照 相机以及 嵌入式 计 算 机等等。 该 试 验项 目所研究的重点是实现对

机架结构和自主飞行 算法 的研究设计， 进 而实现在 室外 和 室内两 种 不 同条件下的自主飞行

除 了世界 知名 高 校 对四旋翼无人机 进 行了广泛研究 外 ， 还 有一 些科 研机构和 企业也 对无人

机 进 行了研制。 例如德 国 Microdrones 公司 所研发并 投入 量产的 MD-200 系 列 无人机， 该 型

无人机 推 出 后 在 欧 美民用无人机 市 场中获得了空前成功。美国 Draganflyer Innovations 公司

所研发的 Draganflyer 、 德 国的 Mikro Kopter 等， 这些不 同类型的四旋翼无人机 各 自具有 不 同

的 特 点 [16] 。当前，国 内外各 相 关 行 业都 对 普遍关注 旋翼无人机的研究和发展 进 程， 希望 在

未 来的 几年内 ， 该 领域 内 能 够 出现性能优 异 、 经济 性 好 的四旋翼无人机。

相较于世界上其 他 一 些 发 达 国家而言， 我 国对四旋翼无人机的研究起 步 较 晚 ，在技术

上 也 较为落 后 ， 我 国对于无人机的研制 仍停留 在传感器等电 子部 件的研究 工 作上， 但 是 我

国的 某些大 学和 科 研单 位 在研究四旋翼无人机的 工 作上 也取 得了较 大 的 突破 ， 例如 国 防科

技学、 哈尔滨工业大 学、中 南大 学以及上 海 交通 大 学等 [5][6][7][8][9] 。

南京理工大 学基于 UAV 控制方 法 对无人机 进 行了研制和 开 发。其研究成 果 中 包含 基于

传统控制 算法 和 智 能 PID 算法 等多种 算法 的分 析 比较。从 我 国当前对四旋翼无人机的研究

现 状 来 看 ， 大 多数专家学者对此的研究主要集中于数学 建 模和控制 算法仿 真等问题上， 只

有 少部 分研究者 进 行了实 际 飞行试 验 。 虽然 相较于其 他 发 达 国家而言， 我 国的飞行器研制

相对较 晚 ， 取 得的 理论 成 果也大 多集中于数学 建 模和控制方 法仿 真计 算 上，现有通过飞行

试 验 来 综合论 述四旋翼无人机的实 际 飞行 状态 和控制 算法 的。 但 总体而言 我 国在 该 领域的

研究 也取 得了一定 进 展。 例如 ， 北京 航空航 天大 学完成了高负载动 态 环境下无人机 捷联式

惯 性导航的研究，通过 该算法 的研究有线 克服 了无人机在飞行过程中 存 在的 划船效 应， 补

偿 无人机在飞行中的 不 均匀 受 力 [5] 。 GPS 整个 发展计 划 分为 个 3 阶段 ：

第 一 阶段 ， 1973 年到 1979 年 ； 第 二阶段 ， 1979 年到 1984 年 ； 第三 阶段 ， 1989 年 至

1993 年 ； 1989 年 2 月 4 日 ， 第 一 颗 GPS 卫星 发 射 成功并 进入 军事应用 阶段 。在设计 GPS 系

统时，设计人 员 调试了 两个 伪 随机代 码 ，即 C / A 码 和 P 码 ， 提供两级 定 位服 务（ 标准 定 位

服 务和 精度 定 位服 务）。 粗 测 量 范围 位 于 C / A 代 码 中， 精度 约 为 100 米 。 服 务目 标 是 普 通

的民用用 户 。 精 密 测 量代 码 位 于 P 代 码 ， 精度 可 达 10 米 。

GPS 在 建 成之 处 应用于军事领域。 近年 来， GPS 硬件和 软 件 不 断改 进 ，正在 扩 展称为

战 斗 力的 " 倍 增 器 " 的应用空 间 。目前， 它 已 经 渗透 为 三 种导航， 精确 定 位 和导 弹 。实现遥控

拍 摄 、动 态 观察 等，当前在军事和民用领域应用十分广泛。

1.3 论文主要工作

本 文 分 析 了国 内外 无人机 GPS 模块的研究现 状 和发展 趋 势，

本 设计 内容包含 ：

一： 论文 的研究 背景 及发展现 状 等。

二 ： 详细 论 述了 本 文 的设计方 案 ，GPS 模块为 N EO 系 列 ，以 ST M 32 F 4 0 5R 单 片 机作为主

控 芯片 ， 运 用 A ltium D esigner 1 8 画 出 原 理 图 ，及 PCB 布 线

三 ：硬件 原 理 与机械结构， 各 功能模块设计。

四： 软 件设计与 开 发及 各部 分驱动设计

2 GPS 模块硬件设计

2.1 GPS 模块选择

UBLOX_NEO-6M （ GPS 模块）是一 款 高性能 , 的 GPS 模块， 灵敏 度也很 高，优 良 的性

能可以应用于 手持 机定 位 。具有 灵 活性 好 、定 位精度 高等诸多优势，在 狭窄 都市天 空下、 密

集的 丛林 环境 这些普 通 GPS 接 收 模块 不 能定 位 的 地 方，模块的高 灵敏 度 、 小静态 漂 移 、低功

耗 及 小 体 积 ， 非常 适 用于 车 载、 手持 设备 如 PDA ， 车 辆监 控、 手 机、 摄像 机等 移 动定 位 系统

的应用 [ 6 ] 。 NEO-6M 系 列 芯片 集成 整合 了高 水平 设计和 鲁棒灵 活的 连 接 方 式 ， NEO-6M 内

部 有一 个 Flash 闪 存 ， GPS 内部 闪 存 可以 允 许 通过固件更 新 来使得系统 支 持 传统的 GNSS 。

这些特 性使得 NEO-6M 很 适 合 作为 地 面 端 GPS 设备。 GPS 选 用 u-blox 公司 的 NEO-6M 天

线模 组 ， , 该 模块 也 同 样 适 用，即使在具有 差 的 GPS 信 号 （ 如 森林峡谷 ）的环境中，要求的

可用性和 准 确 性的 最 高 水平 。的 NEO-6M 模块具有低功 耗 ， 快速 冷 启动 速度 ，和 0.5-1 米 定

位精度 ， 符 合 使用要求 [ 7 ] 。 根 据 官 方 解 决 方 案 设计电路 如 图 2–1

图 2 – 1 N EO 原 理 图

2.2 接口

2.2.1 UART

具有

接 口

， 持 波 特 率

，信

号 电 平 是

，需要有电 平 转换 IC ， 如

。

2.2.2 USB

的

接 口可以以

的 速 率 实现传 输 数据。

接 口需要通过

其 他 元 件 才 能 满足 数据传 输 特 性要求，为了 满足

规范 ，

必须 通过

将 5V 的

降为 3.3V 并 连 接到

脚 。 若 模块自 带

供

电设备， 则 可 向 USB Host 输 出信 号 ， 但 是 这 种 状 况 在实 际 中 效 率 较低，数据传 输 精度不理

想 ，因此应通过 VCC-LDO 使能信 号禁止

。 按 照

的 特 性，

可在 输 出 端外接 下 拉 电 阻 保 证

不会 浮 空。 若 模块采用总线 供 电方 式则

无需 进 行使能控制。

2.2.3 显示数据通道（DDC）

在 NEO-6 模块中， 存 在 被 用于作为一 个 现实数据信道 接 口（ DDC ）的串行通信的 I2C

接 口。

接 收 器以 I2C 运 行。 仅 当 外部

用作 存 储配 置时 才 支 持 主模 式 。

此时， 接 收 器 尝 试 写 入特 定 地 址 。以及用于 检 测这 种 非 断 电 易 失 性 存 储 器 组 件的 存 在的 读

取 操作。为了 u-blox 6 ， 读 DDC 内部 寄 存 器 地 址 为 0xFF （信 息 发 送缓冲区 ）的 情况 下，主

机 不 能 访 问 每 个 字节 之前设置的 读 出 地 址 ，因为 这 将 导 致错误 的行为。由于 内部 寄 存 器的

地 址 是由 1 从 寄 存 器 读 取 为 0xFF 每 个 字节 ， 然后 在 饱 和 后 为 0xFF 递 增 ， 读 出可以 连 续地

进 行。 仅 用于 连 接外部 EEPROM ， 内 置的上 拉 电 阻足 够大 。

2.2.4 SPI

模块有

接 口，

可以 连 接外部 设备， 如

存 储 器 、

A/D 转换 器或与

连 接 。

2.3 硬件主要器件选型

2.3.1 主控制器

控制系统中 最 重要的 就 是主控制器， 它 控制所有的模块正 常运转 ，同时 也 承担 信 号 处

理 等任务， 如 信 号 采集和 处理 、无人机 姿态 控制等，一 次 你 主控制器需要具备 良好 的计 算

能力。因此 本 文 选择

微 控制器 [9] 。

采用了 90nm 的 NVM

工 艺 和 ART ， 工 作 频率 高， 运算速度快 ，此 外 ，其通信 接 口 也 十分 丰富 ，当 CPU 在 允 许

频率范围 内工 作时具有 良好 的 零 等 待周 期性能。 除 此之 外

接 口十分 丰富 。由

此可 知 选择

可 满足本 文 需求 [10] 。 如 图 2-2 所示

图 2 - 2 主控制器 原 理 图

2.3.2 传感器

微 型 UAV 系统中的传感器的 选择必须考虑 多种因 素 ， 例如 尺寸 ，重量，功 耗 和成 本 。

在设计中， GPS 接 收 器 选择 NEO-7M 。 的 NEO-7M GPS 模块是一种低功 耗 ，高 灵敏 度 ， 全

功能的 超 小 型 外部 GPS 接 收 器模块。 该 模块性能示于 图 2-3 。

图 2 - 3 GPS 模块性能

2.3.3 磁强计数据采集

HMC5983 是一 个 温 度 补偿 的 三轴 集成电 子 罗盘 ， 内 置高分 辨 的

系 列 的磁

阻 传感器， 除 此之 外还 有 放大 器等， 该 磁强计数据采集设备航 向角 为 1-2 度 [11] 。 I2C 个

SPI 串行通信总线， 表 面有多 个 引脚贴片封 装。

利用了 AMR 技术，在 地 磁场传

感器中具有 良好 的 林敏 度 和可 靠 性。 如 图 2-4 所示。

它 的主要 特 性 包 括 ：

(1)3 轴 磁传感器和 ASIC 都被 封 装在 3.0*3.0*0.9LCC 表 面装 配 中

与 地 干扰