【導讀】隨著無人機正在成為新的經(jīng)濟增長點和國民收入水平的提高,近年來在高校和民間都得到了更多的關注。用無線電遙控的無人機大部分使用JR或者Futaba公司出品的專用遙控器,這些遙控器優(yōu)點是手感好,方便攜帶,但是價格高昂,通道數(shù)較少,難以滿足無人機執(zhí)行任務時需要較多通道數(shù)的要求。
無人機是無人駕駛飛機的簡稱,是利用無線電遙控(含遠程駕駛)、預設程序控制和(或)基于機載傳感器自主飛行的可重復使用不載人飛機。目前用無線電遙控的無人機大部分使用JR或者Futaba公司出品的專用遙控器,這些遙控器優(yōu)點是手感好,方便攜帶,但是價格高昂,通道數(shù)較少,難以滿足無人機執(zhí)行任務時需要較多通道數(shù)的要求。少部分使用PC作為控制平臺,使用了飛行搖桿作為控制器,能實現(xiàn)更專業(yè)的功能,通道數(shù)也多,但是攜帶不方便,需要攜帶手提電腦或者PC到外場調(diào)試,還必須考慮電池續(xù)航問題,造價也比較高昂,且需要專業(yè)的計算機軟件知識進行編程。
為解決上述不便,本人提出了一種基于Arduino的無人機控制器設計方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建,是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺.Arduino具有類似java、C語言的開發(fā)環(huán)境,將AVR單片機相關的一些寄存器參數(shù)設置等都函數(shù)化了,即使不太了解 AVR單片機的朋友也能輕松上手,設計出各種實用的電路開發(fā)系統(tǒng),是一款價格低廉、易于開發(fā)做應用的電子平臺。Arduino包括硬件和軟件在內(nèi)的整個平臺是完全開源的。該方案由于采用Arduino平臺,能快速開發(fā)出用較低成本的飛行搖桿來進行操縱航模,體驗真實飛行的感覺。由于接口較多,可以實現(xiàn)高達20通道以上,能執(zhí)行各種擴展任務,且不需要攜帶電腦。
系統(tǒng)原理與架構設計
系統(tǒng)框圖如圖1所示,分為兩大部分,分別是地面控制部分和控制執(zhí)行部分。地面控制部分是由單片機讀取飛行遙桿的數(shù)據(jù),即可獲得飛行搖桿各個通道的即時電壓,通過模式轉(zhuǎn)換后,得到各個通道的值。將上述值經(jīng)過編碼后通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送出去。
空中指令執(zhí)行部分:
由空中無線數(shù)傳接收到信號后將指令發(fā)送到單片機,單片機將指令解析,并轉(zhuǎn)換為飛控系統(tǒng)常用的PPM信號,該PPM信號可以直接驅(qū)動飛控系統(tǒng)做出響應動作,從而控制無人機。
模塊原理、設計與制作
1.搖桿信號獲取原理
要得到飛行搖桿當前的桿量,一個方法是通過搖桿的usb接口讀取,由于各個廠家的通訊協(xié)議都不兼容,有些還必須獲得授權,實現(xiàn)起來比較麻煩。另一個方法是直接獲取搖桿的電位器值。實際上現(xiàn)在市面上的搖桿除了非常高端的搖桿用了霍爾傳感,大部分都采用了普通的電位器,按照可變電阻來讀取即可。本模塊采用市場上常見的賽鈦客FLY5飛行搖桿,拆開來外殼,所有電位器都是用3P的白色連接插座和電路板連接的,XYZ三軸用來控制飛機姿態(tài)(升降、副翼和方向),油門由拉桿控制,苦力帽可以用來控制fpv攝像頭云臺,還有其他的按鍵可以映射為其他通道,例如空中投擲物體,自動回家,切換飛行模式等。
2.桿量解析處理模塊
我們采用的單片機系統(tǒng)采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 開發(fā)板。該開發(fā)板是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板,本身具有54組數(shù)字I/O其中14組可做PWM輸出),16組模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端,4組串口,使用16MHz的晶振。讀取搖桿的XYZ軸的電阻值,只需將電位器的電源和地接在電調(diào)輸出的5v和地上,信號線接在Arduino板的模擬輸入口上,由于Arduino的AD讀取精度最高是10位,在程序里將電阻值映射成0到1023的數(shù)值,F(xiàn)LY5飛行搖桿的分辨率大概在800~900左右。飛行搖桿的電位器是線性的,反應較為靈敏的。實際測試中搖桿回中后,和打到最大和最小的地方,數(shù)據(jù)會有一些波動和噪點,采用卡爾曼濾波算法進行處理,可以獲得平滑的曲線。
3.無線收發(fā)模塊
無線數(shù)傳模塊采用了一對X b e e P R O900HP無線收發(fā)模塊,該模塊功率為250mW.它們分別用來連接地面控制板單片機和連接飛行控制的單片機。配備原裝天線,最遠可以達到10KM,比傳統(tǒng)遙控器距離極大的增加。標準的串口TTL接口,將RX和TX分別接在單片機板上的TX和RX端口上即可。波特率設置為115200,數(shù)傳是半雙工的,通訊增加CRC校驗,防止數(shù)據(jù)丟包和被干擾篡改。
4.指令解析模塊
有了良好的通訊協(xié)議,空中控制板解析出地面發(fā)出的命令后,做出相應的驅(qū)動舵機的動作。標準PPM信號的周期固定為20ms,理論上脈寬(脈沖的高電平部分)范圍在1ms-2ms之間,但實際上脈寬可以在0.5ms-2.5ms之間,脈寬和舵機的轉(zhuǎn)角0°-180°相對應。目前大多數(shù)無人機飛行控制器的接收部分都遵循1-2ms規(guī)范,50HZ的數(shù)據(jù)刷新率。本設計采用DJI公司的NAZA-M飛控模塊。
5.失控保護模塊
在空中指令執(zhí)行部分的單片機控制系統(tǒng)中,設計失控保護裝置。在Arduino中設計定時器中斷,每隔一段時間查詢有無收到指令(正常情況下每秒應該接收50條指令)。由于飛行器速度高,瞬息萬變,因此可以設置為1秒沒有接收到任何一條指令,則進入懸停狀態(tài),原地懸停待命,在30秒內(nèi)沒有收到地面的命令后,應該進入失控保護,并切換到飛行器控制器的GPS自動返航模式。
使用飛行搖桿進行操控更具有真實感,是傳統(tǒng)遙控器無法體驗的。左手油門,右手控制升降,副翼,扭動z軸控制方向舵。地面站配備 9dBi全向天線,空中配備3dBi原裝天線在開闊地實測控制距離為8KM.在單向傳輸?shù)臅r候沒有出現(xiàn)明顯延遲和抖舵,適合直升機或多旋翼無人機等低延時的控制要求,實測延時小于20ms.雙向傳輸?shù)臅r候延時較大,甚至出現(xiàn)了500ms以上的延時,只能適用于固定翼和滑翔機等對延時要求不高的飛行器。通過對數(shù)傳模塊的分析,原因是數(shù)傳模塊大多都是在單頻率下,只能實現(xiàn)半雙工的無線傳輸,發(fā)送和接收切換需要延時,如果數(shù)據(jù)量大會造成阻塞,從而加大延時。
本文提供的解決方案,成本較低,開發(fā)方便,易于實現(xiàn)。不足之處是單向傳輸雖然延時低,但是無法實時返回飛行器的各種數(shù)據(jù)。為解決該問題,只能使用2對無線模塊,或采用MIMO天線能實現(xiàn)全雙工的無線模塊,才能解決。后期將會繼續(xù)研究,以實現(xiàn)低成本的雙向傳輸,并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)返回的OSD和低延時控制。
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