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2016-03-04 [责任编辑:wenwei]
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【导读】随着无人机正在成为新的经济增长点和国民收入水平的提高,近年来在高校和民间都得到了更多的关注。用无线电遥控的无人机大部分使用JR或者Futaba公司出品的专用遥控器,这些遥控器优点是手感好,方便携带,但是价格高昂,通道数较少,难以满足无人机执行任务时需要较多通道数的要求。
 
无人机是无人驾驶飞机的简称,是利用无线电遥控(含远程驾驶)、预设程序控制和(或)基于机载传感器自主飞行的可重复使用不载人飞机。目前用无线电遥控的无人机大部分使用JR或者Futaba公司出品的专用遥控器,这些遥控器优点是手感好,方便携带,但是价格高昂,通道数较少,难以满足无人机执行任务时需要较多通道数的要求。少部分使用PC作为控制平台,使用了飞行摇杆作为控制器,能实现更专业的功能,通道数也多,但是携带不方便,需要携带手提电脑或者PC到外场调试,还必须考虑电池续航问题,造价也比较高昂,且需要专业的计算机软件知识进行编程。
 
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为解决上述不便,本人提出了一种基于Arduino的无人机控制器设计方案。Arduino是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师David Cuartielles和Massimo Banzi联合创建,是一块基于开放原始代码的Simple I/O平台.Arduino具有类似java、C语言的开发环境,将AVR单片机相关的一些寄存器参数设置等都函数化了,即使不太了解 AVR单片机的朋友也能轻松上手,设计出各种实用的电路开发系统,是一款价格低廉、易于开发做应用的电子平台。Arduino包括硬件和软件在内的整个平台是完全开源的。该方案由于采用Arduino平台,能快速开发出用较低成本的飞行摇杆来进行操纵航模,体验真实飞行的感觉。由于接口较多,可以实现高达20通道以上,能执行各种扩展任务,且不需要携带电脑。
 
系统原理与架构设计
 
系统框图如图1所示,分为两大部分,分别是地面控制部分和控制执行部分。地面控制部分是由单片机读取飞行遥杆的数据,即可获得飞行摇杆各个通道的即时电压,通过模式转换后,得到各个通道的值。将上述值经过编码后通过无线数传模块发送出去。
 
空中指令执行部分:
 
由空中无线数传接收到信号后将指令发送到单片机,单片机将指令解析,并转换为飞控系统常用的PPM信号,该PPM信号可以直接驱动飞控系统做出响应动作,从而控制无人机。
 
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模块原理、设计与制作

1.摇杆信号获取原理
 
要得到飞行摇杆当前的杆量,一个方法是通过摇杆的usb接口读取,由于各个厂家的通讯协议都不兼容,有些还必须获得授权,实现起来比较麻烦。另一个方法是直接获取摇杆的电位器值。实际上现在市面上的摇杆除了非常高端的摇杆用了霍尔传感,大部分都采用了普通的电位器,按照可变电阻来读取即可。本模块采用市场上常见的赛钛客FLY5飞行摇杆,拆开来外壳,所有电位器都是用3P的白色连接插座和电路板连接的,XYZ三轴用来控制飞机姿态(升降、副翼和方向),油门由拉杆控制,苦力帽可以用来控制fpv摄像头云台,还有其他的按键可以映射为其他通道,例如空中投掷物体,自动回家,切换飞行模式等。
 
2.杆量解析处理模块
 
我们采用的单片机系统采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 开发板。该开发板是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板,本身具有54组数字I/O其中14组可做PWM输出),16组模数转换输入端,4组串口,使用16MHz的晶振。读取摇杆的XYZ轴的电阻值,只需将电位器的电源和地接在电调输出的5v和地上,信号线接在Arduino板的模拟输入口上,由于Arduino的AD读取精度最高是10位,在程序里将电阻值映射成0到1023的数值,FLY5飞行摇杆的分辨率大概在800~900左右。飞行摇杆的电位器是线性的,反应较为灵敏的。实际测试中摇杆回中后,和打到最大和最小的地方,数据会有一些波动和噪点,采用卡尔曼滤波算法进行处理,可以获得平滑的曲线。
 
3.无线收发模块
 
无线数传模块采用了一对X b e e P R O900HP无线收发模块,该模块功率为250mW.它们分别用来连接地面控制板单片机和连接飞行控制的单片机。配备原装天线,最远可以达到10KM,比传统遥控器距离极大的增加。标准的串口TTL接口,将RX和TX分别接在单片机板上的TX和RX端口上即可。波特率设置为115200,数传是半双工的,通讯增加CRC校验,防止数据丢包和被干扰篡改。
 
4.指令解析模块
 
有了良好的通讯协议,空中控制板解析出地面发出的命令后,做出相应的驱动舵机的动作。标准PPM信号的周期固定为20ms,理论上脉宽(脉冲的高电平部分)范围在1ms-2ms之间,但实际上脉宽可以在0.5ms-2.5ms之间,脉宽和舵机的转角0°-180°相对应。目前大多数无人机飞行控制器的接收部分都遵循1-2ms规范,50HZ的数据刷新率。本设计采用DJI公司的NAZA-M飞控模块。
 
5.失控保护模块
 
在空中指令执行部分的单片机控制系统中,设计失控保护装置。在Arduino中设计定时器中断,每隔一段时间查询有无收到指令(正常情况下每秒应该接收50条指令)。由于飞行器速度高,瞬息万变,因此可以设置为1秒没有接收到任何一条指令,则进入悬停状态,原地悬停待命,在30秒内没有收到地面的命令后,应该进入失控保护,并切换到飞行器控制器的GPS自动返航模式。
 
使用飞行摇杆进行操控更具有真实感,是传统遥控器无法体验的。左手油门,右手控制升降,副翼,扭动z轴控制方向舵。地面站配备 9dBi全向天线,空中配备3dBi原装天线在开阔地实测控制距离为8KM.在单向传输的时候没有出现明显延迟和抖舵,适合直升机或多旋翼无人机等低延时的控制要求,实测延时小于20ms.双向传输的时候延时较大,甚至出现了500ms以上的延时,只能适用于固定翼和滑翔机等对延时要求不高的飞行器。通过对数传模块的分析,原因是数传模块大多都是在单频率下,只能实现半双工的无线传输,发送和接收切换需要延时,如果数据量大会造成阻塞,从而加大延时。
 
本文提供的解决方案,成本较低,开发方便,易于实现。不足之处是单向传输虽然延时低,但是无法实时返回飞行器的各种数据。为解决该问题,只能使用2对无线模块,或采用MIMO天线能实现全双工的无线模块,才能解决。后期将会继续研究,以实现低成本的双向传输,并实现实时数据返回的OSD和低延时控制。


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关键字:无人机技术 ATMEGA2560 智能硬件 
本文链接:http://www.cntronics.com/motor-art/80030824
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