一種基于Arduino的無人機控制器設(shè)計方案

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(guān)注。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(wù)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(shè)計方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計學(xué)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(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)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(shè)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(yīng)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(wù)，且不需要攜帶電腦。

一、系統(tǒng)原理與架構(gòu)設(shè)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(yīng)動作，從而控制無人機。

二、模塊原理、設(shè)計與制作

1.搖桿信號獲取原理

要得到飛行搖桿當(dāng)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(quán)，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

單片機系統(tǒng)采用了Arduino MEGA2560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(yīng)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Digi的XBee Pro 900HP無線模塊，功率為250mW，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（地面站配備9dBi全向天線，空中配備3dBi原裝天線），比傳統(tǒng)遙控器距離極大地增加。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(shè)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(yīng)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(yīng)。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(shè)計采用DJI的飛控。

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(shè)計失控保護裝置。在Arduino中設(shè)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(yīng)該接收50條指令）。由于飛行器速度高，瞬息萬變，因此可以設(shè)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(yīng)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。

三、性能測試

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。

四、結(jié)論與展望

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。

審核編輯：湯梓紅