本实用新型涉及一种小型无人直升机导航技术，特别涉及一种基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统。
背景技术：
随着社会发展和科技进步，近年来，无人机呈现出前所未有的发展。谷歌、亚马逊、Facebook、腾讯以及小米等互联网企业纷纷高调开展无人机业务，于是，除了航拍，无人机还渗透到了各行业，地图测绘、环保监测、交通监管、农药喷洒等领域都能见到无人机的身影。
无人机导航是按照要求的精度，沿着预定的航线在指定的时间内正确地引导无人机至目的地。要使无人机成功完成预定的航行任务，除了起始点和目标的位置之外，还必须知道无人机的实时位置、航行速度、航向等导航参数。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等。这些导航技术都有各自的优缺点，因此，在无人机导航中，要根据无人机担负的不同任务来选择合适的导航技术至关重要。
定位卫星导航是通过不断对目标物体进行定位从而实现导航功能的。目前，全球范围内有影响的卫星定位系统有美国的GPS，欧洲的伽利略，俄罗斯的格拉纳斯，还有中国的北斗。
GPS全球定位系统导航的基本原理：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1 和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的伪距R，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数。为了求出接收机的位置x、y、z，只要接收机测出四颗卫星的伪距，利用公式便可得到四个方程，联立起来便可求出四个未知数x、y、z和Δt。
地磁场为矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其它地点的矢量，因此，只要确定该点的地磁场矢量，并结合由IMU中加速度计解算出的飞机俯仰角和横滚角，便可以计算出无人机的航向角。
无人机现有的GPS模块大多数都仍使用第六代GPS，与第六代GPS相比，第八代GPS模块NEO-M8N有更新频率高、功耗低、支持多个卫星系统、体积小、定位精度更高、价格适中等优点。本实用新型基于AVR单片机的小型无人直升机GPS/磁力计组合导航模块便是使用第八代GPS模块NEO-M8N。
现有的GPS模块仅仅为飞机提供了飞机位置信息，集成度不够高，本实用新型基于AVR单片机的小型无人直升机GPS/磁力计组合导航模块将GPS模块、磁力计集成到同一个模块中，并通过AVR单片机将GPS与磁力计的数据打包发送给无人机控制器，为控制器提供飞机的位置信息和航向信息。使得整个无人机系统集成度更高，使用更加便捷，而且体积更小。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统。
本实用新型的目的可以通过下述技术方案实现：一种基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统，包括：Ublox NEO-M8NGPS模块、HMC5883L三轴磁力计模块、ATmega8LAVR单片机模块、LT1963稳压模块、第一ADM3202串口通信模块、第二ADM3202串口通信模块、GPS陶瓷天线、GPS备份电池、EEPROM存储器、 I2C总线、USART串口、无人机控制器、GPS配置接口和5V电源输入模块；所述GPS 陶瓷天线、GPS备份电池LT1963稳压模块的第一端口、ADM3202串口通信模块的一端、USART串口的一端和EEPROM存储器均与Ublox NEO-M8N GPS模块连接，所述LT1963稳压模块的第二端口、HMC5883L三轴磁力计模块和I2C总线的一端依次连接，I2C总线的另一端与ATmega8LAVR单片机模块的第一端口连接，所述LT1963 稳压模块的第三端口与ATmega8LAVR单片机模块的第二端口连接，Ublox NEO-M8NGPS模块与USART串口的一端连接，所述USART串口的另一端与 ATmega8LAVR单片机模块的第三端口连接，所述ATmega8LAVR单片机模块的第四端口通过第二ADM3202串口通信模块与无人机控制器的一端连接，无人机控制器的另一端通过5V电源输入模块连接LT1963稳压模块的第四端口，所述Ublox NEO-M8N GPS模块通过第一ADM3202串口通信模块与GPS配置接口连接。
其中，HMC5883L通过IIC与AVR单片机进行通信，GPS模块通过串口与AVR单片机进行通信，NEO-M8N、HMC5883L、ATmega8L、ADM3202均由LT1963稳压模块输出的3.3V电压供电。其中，其特征在于：将GPS与磁力计组合成一个模块，通过AVR单片机将GPS与磁力计的数据打包发送给无人机控制器，为控制器提供飞机当前的位置信息和航向信息。
体积小易于安装、定位精度和航向精度高、支持在线配置和掉电保存、更新频率高、功耗小、成本低等优点。
GPS模块配备了备用电池，当电源出现故障或者主控器重启的时候，备用电池会给芯片供电，可在断电一段时间内支持GPS模块热启动，能够节省搜星时间。
GPS模块配备了EEPROM存储器，支持掉电保存配置参数数据。
作为优选，本实用新型的基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统还包括：电源指示灯和信号指示灯。电源指示灯用于当模块上电之后，指示灯会常亮；信号指示灯用于GPS搜不到卫星时，指示灯会闪烁，等到搜到卫星之后，指示灯常灭。
所述HMC5883L三轴磁力计模块采用经典芯片HMC5883L磁力计。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12 位模数转换器，HMC5883L通过I2C总线与AVR单片机通信。
所述Ublox NEO-M8NGPS模块选用的GPS芯片为Ublox公司的第八代GPS模块 NEO-M8N。NEO-M8N模块是并发的GNSS接收器，并且接收和跟踪多GNSS系统(例如： GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou和QZSS信号)。因为双频率RF前端架构，三个信号(GPS L1C/A,GLONASS L1OF和BeiDou B1)中的两个能够被接收和并行处理。 NEO-M8N模块具有灵敏度高、导航精度高、导航更新速率可达10HZ、低功耗等优点。NEO-M8N通过串口与AVR单片机通信。
作为优选，本实用新型的基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统还包括：模块壳体，所述模块壳体具有壳体底部和壳体顶部。所述壳体底部为铝制底板，反射面朝上，使得GPS搜星能力更强，所述壳体顶部为塑料材质。
AVR单片机将GPS和磁力计信息打包后，通过ADM3202芯片将TTL电平转为 RS232电平，然后发送到飞控主控板。
GPS/磁力计组合导航模块由主控器引出的5V电源供电，由于NEO-M8N、 HMC5883L、ADM3202、EEPROM均为3.3V供电芯片，因此模块选用LT1963芯片先将5V电压转为3.3V，然后再给以上芯片供电。
本实用新型的目的也可以通过以下技术方案实现：一种基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统，包括：Ublox NEO-M8N第八代GPS模块、 HMC5883L三轴磁力计模块、ATmega8L AVR单片机模块、LT1963稳压模块、ADM3202 串口通信模块、GPS陶瓷天线、GPS备份电池、EEPROM存储器以及模块壳体。
模块选用的GPS芯片为Ublox公司的第八代GPS模块NEO-M8N。NEO-M8N模块是并发的GNSS接收器，并且接收和跟踪多GNSS系统(例如：GPS、GLONASS、 GALILEO、BeiDou和QZSS信号)。因为双频率RF前端架构，三个信号(GPS L1C/A,GLONASS L1OF和BeiDou B1)中的两个能够被接收和并行处理。NEOM8N模块具有灵敏度高、导航精度高、导航更新速率最高可达18HZ、低功耗等优点。
模块选用的磁力计为经典芯片HMC5883L，HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器。
NEOM8N通过USART串口与AVR单片机通信，HMC5883L三轴磁力计通过I2C 与AVR单片机通信，AVR单片机将GPS和磁力计信息打包后通过串口发送给无人机控制器，为控制器提供飞机的位置信息和航向信息。
模块有两个指示灯，其中一个为电源指示灯，当模块上电之后，指示灯会常亮。另一个为信号指示灯，当GPS搜不到卫星时，指示灯会闪烁，等到搜到卫星之后，指示灯常灭。
GPS模块配备了备用电池，当电源出现故障或者主控器掉电重启的时候，备用电池会给芯片供电，可在断电一段时间内支持模块热启动，这样能够节省搜星时间。
GPS模块配备了EEPROM存储器，支持掉电保存波特率、输出数据格式、更新频率等配置参数数据。
由于在装到无人机上使用之前需要配置GPS模块的波特率、更新频率、工作模式、输出格式等，因此单独留出了GPS配置接口，使用ADM3202芯片将GPS 输出的TTL电平转为RS232电平，方便使用电脑对GPS进行配置。
AVR单片机将GPS的信息和磁力的计信息打包后，通过ADM3202芯片将TTL 电平转为RS232电平，然后发送到飞控主控板。
GPS/磁力计组合导航模块由主控器引出的5V电源供电，由于NEO-M8N、 HMC5883L、ADM3202、EEPROM均为3.3V供电芯片，因此模块选用LT1963芯片先将5V电压转为3.3V，然后再给以上芯片供电。
模块壳体由两部分构成，底部为铝制底板，反射面朝上，使得GPS搜星能力更强。壳体顶部为塑料材质。
本实用新型基于AVR单片机的小型无人直升机GPS/磁力计组合导航模块为 NEO-M8N模块配备了备用电池，当电源出现故障或者主控器掉电重启的时候，备用电池会给芯片供电，可在系统断电一段时间内支持模块热启动，这样能够节省搜星时间。同时，为NEO-M8N模块配备了EEPROM存储器，支持掉电保存波特率、输出数据格式、更新频率等配置参数数据。
本实用新型的基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统可以包括： Ublox NEO-M8N第八代GPS模块、HMC5883L三轴磁力计模块、AVR单片机模块、电源模块、串口通信模块、GPS天线以及模块壳体。其中，NEO-M8N通过USART 串口与AVR单片机通信，HMC5883L三轴磁力计通过I2C与AVR单片机通信，AVR 单片机将GPS和磁力计数据打包后通过串口发送给无人机控制器，为控制器提供飞机的位置信息和航向信息。由于在装到无人机上使用之前需要配置GPS模块的波特率、更新频率、工作模式、输出内容等，因此单独留出了GPS配置接口，使用ADM3202芯片将GPS输出的TTL电平转为RS232电平，方便使用电脑对GPS进行配置。本实用新型的基于AVR单片机的小型无人直升机GPS/磁力计组合导航模块具有体积小易于安装、定位精度高、航向精度高、支持在线配置和掉电保存、更新频率高、功耗小、成本低等优点。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、模块集成度高，将GPS和磁力计集成到一个模块中，使用AVR单片机将两者信息打包整合之后发送给主控器，简化了系统，并且提高了工作效率。
2、GPS模块配备了备用电池，当电源出现故障或者主控器掉电重启的时候，备用电池会给芯片供电，可在断电一段时间内支持模块热启动，这样能够节省搜星时间。
3、GPS模块配备了EEPROM存储器，支持掉电保存配置参数数据。
4、模块具有体积小易于安装、定位精度和航向精度高、支持在线配置和掉电保存、更新频率高、功耗小、成本低等优点。
附图说明
图1是基于AVR单片机的无人机GPS/磁力计组合导航系统的结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，基于AVR单片机的小型无人直升机GPS/磁力计组合导航模块主要具有以下组成部分：1、NEO-M8N第八代GPS模块；2、HMC5883L三轴磁力计模块；3、ATmega8L AVR单片机模块；4、ADM3202串口通信芯片；5、EEPROM 存储器；6、GPS备份电池；7、LT1963稳压芯片；8、5V电源接口；9、GPS模块配置接口；10、AVR单片机测试接口；11、ISP程序下载接口；12、连接主控器接口；13、GPS陶瓷天线；14、电源指示灯以及GPS信号指示灯；15、模块螺丝固定孔；16、模块壳体。
模块壳体由底板和上盖两部分组成，其中底板为铝制，上盖为塑料材质。模块在装到无人机上使用之前，要将与无人机控制器连接的三根线固定在上盖的卡槽中，将导航模块通过螺丝固定在底板上，再通过定位卡槽和螺丝将底板和上盖连合。
模块在装到无人机上使用之前，要进行多项检测和校准。首先要测试电源模块是否有异常。在模块上电之前，用万用表测试模块是否有短路，如果有短路，要仔细检查短路的焊点，如果没有短路，则可以给模块上电进一步检查。用5V适配器接J2给模块供电，首先用手摸一下各个模块是否有发烫，如有发烫则立即断电进行检查。如果没有发烫，则用万用表测试LT1963的输出管脚电压是否为3.3V，如电压为3.3V，则电源模块正常，可进行下一步检查。
检查完电源模块之后，用5V适配器接J2给模块供电，通过ISP接口给AVR 单片机下载“仅发送A”测试程序，串口线接J1，波特率设置为38400，用串口助手查看是否能够连续接收到字母“A”，如果能够接收到，说明AVR单片机串口工作正常。
检查完AVR单片机之后，开始检测HMC5883L三轴磁力计与AVR通信是否正常。用5V适配器接J2给模块供电，通过ISP接口给AVR单片机下载“仅发送磁力计数据”测试程序，串口线接J1，波特率设置为38400，用串口助手接收数据，如果能够正常接收磁力计数据且三个轴数据变化正常，说明磁力计与AVR 单片机通信正常。正常情况下串口助手接收到的数据格式如下所示：
$HMC,150，-408,302
$HMC,144，-403,302
$HMC,145，-405,199
$HMC,144，-405,299
下一步对NEO-M8N GPS进行相关配置，使得模块适用于我们的无人机控制系统。用5V适配器接J2给模块供电，使用ublox公司配套的软件u-center_v8.18 对GPS进行配置，串口线接J3，配置内容包括：波特率、更新频率、工作模式、输出内容等。配置过程在此不做详细介绍。
NEO-M8N配置好之后，对模块进行整体测试。用5V适配器接J2给模块供电，通过ISP接口给AVR单片机下载“GPS模块整体测试”程序，波特率设置为19200，用串口助手接收数据，如果所接收GPS和磁力计数据均正常，则说明导航模块输出数据正常。正常情况下串口助手接收到的数据格式如下所示：
$GPGGA,,,,,,0,00,99.99,,,,,,*48
$GPVTG,,,,,,,,,N*30
$HMC,-144，234,320
由于HMC5883L三轴磁力计会受到周围可能会有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在，这样会使得磁传感器所放置位置上的地球磁场发生偏差。因此在使用之前，要对磁力计进行校准。我们采用“平面校准方法”对磁力计进行校准，校准过程在此不再详细介绍。
磁力计校准之后，模块便可以装到无人机上使用了。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。