解讀ATmega2560無(wú)人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計(jì)方案

隨著無(wú)人機(jī)正在成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和國(guó)民收入水平的提高，近年來(lái)在高校和民間都得到了更多的關(guān)注。無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱，是利用無(wú)線電遙控(含遠(yuǎn)程駕駛)、預(yù)設(shè)程序控制和(或)基于機(jī)載傳感器自主飛行的可重復(fù)使用不載人飛機(jī)。目前用無(wú)線電遙控的無(wú)人機(jī)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(diǎn)是手感好，方便攜帶，但是價(jià)格高昂，通道數(shù)較少，難以滿足無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要較多通道數(shù)的要求。少部分使用PC作為控制平臺(tái)，使用了飛行搖桿作為控制器，能實(shí)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(chǎng)調(diào)試，還必須考慮電池續(xù)航問(wèn)題，造價(jià)也比較高昂，且需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)進(jìn)行編程。

為解決上述不便，本人提出了一種基于Arduino的無(wú)人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)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(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺(tái).Arduino具有類似java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，將AVR單片機(jī)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(jī)的朋友也能輕松上手，設(shè)計(jì)出各種實(shí)用的電路開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是一款價(jià)格低廉、易于開(kāi)發(fā)做應(yīng)用的電子平臺(tái)。Arduino包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)平臺(tái)是完全開(kāi)源的。該方案由于采用Arduino平臺(tái)，能快速開(kāi)發(fā)出用較低成本的飛行搖桿來(lái)進(jìn)行操縱航模，體驗(yàn)真實(shí)飛行的感覺(jué)。由于接口較多，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20通道以上，能執(zhí)行各種擴(kuò)展任務(wù)，且不需要攜帶電腦。

系統(tǒng)原理與架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)讀取飛行遙桿的數(shù)據(jù)，即可獲得飛行搖桿各個(gè)通道的即時(shí)電壓，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換后，得到各個(gè)通道的值。將上述值經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送出去。

空中指令執(zhí)行部分：

由空中無(wú)線數(shù)傳接收到信號(hào)后將指令發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將指令解析，并轉(zhuǎn)換為飛控系統(tǒng)常用的PPM信號(hào)，該P(yáng)PM信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)做出響應(yīng)動(dòng)作，從而控制無(wú)人機(jī)。

模塊原理、設(shè)計(jì)與制作

1.搖桿信號(hào)獲取原理

要得到飛行搖桿當(dāng)前的桿量，一個(gè)方法是通過(guò)搖桿的usb接口讀取，由于各個(gè)廠家的通訊協(xié)議都不兼容，有些還必須獲得授權(quán)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩。另一個(gè)方法是直接獲取搖桿的電位器值。實(shí)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(lái)讀取即可。本模塊采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的賽鈦客FLY5飛行搖桿，拆開(kāi)來(lái)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(lái)控制飛機(jī)姿態(tài)(升降、副翼和方向)，油門(mén)由拉桿控制，苦力帽可以用來(lái)控制fpv攝像頭云臺(tái)，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(dòng)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(jī)系統(tǒng)采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板是一塊以ATmega2560($10.4500)為核心的微控制器開(kāi)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(hào)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(shí)際測(cè)試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數(shù)據(jù)會(huì)有一些波動(dòng)和噪點(diǎn)，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，可以獲得平滑的曲線。

3.無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線數(shù)傳模塊采用了一對(duì)X b e e P R O900HP無(wú)線收發(fā)模塊，該模塊功率為250mW.它們分別用來(lái)連接地面控制板單片機(jī)和連接飛行控制的單片機(jī)。配備原裝天線，最遠(yuǎn)可以達(dá)到10KM，比傳統(tǒng)遙控器距離極大的增加。標(biāo)準(zhǔn)的串口TTL接口，將RX和TX分別接在單片機(jī)板上的TX和RX端口上即可。波特率設(shè)置為115200($0.1530)，數(shù)傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗(yàn)，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(dòng)舵機(jī)的動(dòng)作。標(biāo)準(zhǔn)PPM信號(hào)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(shí)際上脈寬可以在0.5ms-2.5ms之間，脈寬和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角0°-180°相對(duì)應(yīng)。目前大多數(shù)無(wú)人機(jī)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(jì)采用DJI公司的NAZA-M飛控模塊。

5.失控保護(hù)模塊

在空中指令執(zhí)行部分的單片機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)失控保護(hù)裝置。在Arduino中設(shè)計(jì)定時(shí)器中斷，每隔一段時(shí)間查詢有無(wú)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(wàn)變，因此可以設(shè)置為1秒沒(méi)有接收到任何一條指令，則進(jìn)入懸停狀態(tài)，原地懸停待命，在30秒內(nèi)沒(méi)有收到地面的命令后，應(yīng)該進(jìn)入失控保護(hù)，并切換到飛行器控制器的GPS自動(dòng)返航模式。

使用飛行搖桿進(jìn)行操控更具有真實(shí)感，是傳統(tǒng)遙控器無(wú)法體驗(yàn)的。左手油門(mén)，右手控制升降，副翼，扭動(dòng)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(kāi)闊地實(shí)測(cè)控制距離為8KM.在單向傳輸?shù)臅r(shí)候沒(méi)有出現(xiàn)明顯延遲和抖舵，適合直升機(jī)或多旋翼無(wú)人機(jī)等低延時(shí)的控制要求，實(shí)測(cè)延時(shí)小于20ms.雙向傳輸?shù)臅r(shí)候延時(shí)較大，甚至出現(xiàn)了500ms以上的延時(shí)，只能適用于固定翼和滑翔機(jī)等對(duì)延時(shí)要求不高的飛行器。通過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)半雙工的無(wú)線傳輸，發(fā)送和接收切換需要延時(shí)，如果數(shù)據(jù)量大會(huì)造成阻塞，從而加大延時(shí)。

本文提供的解決方案，成本較低，開(kāi)發(fā)方便，易于實(shí)現(xiàn)。不足之處是單向傳輸雖然延時(shí)低，但是無(wú)法實(shí)時(shí)返回飛行器的各種數(shù)據(jù)。為解決該問(wèn)題，只能使用2對(duì)無(wú)線模塊，或采用MIMO天線能實(shí)現(xiàn)全雙工的無(wú)線模塊，才能解決。后期將會(huì)繼續(xù)研究，以實(shí)現(xiàn)低成本的雙向傳輸，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回的OSD和低延時(shí)控制。