解讀ATmega2560無(wú)人機搖桿微控制器設計方案

隨著(zhù)無(wú)人機正在成為新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)和國民收入水平的提高，近年來(lái)在高校和民間都得到了更多的關(guān)注。無(wú)人機是無(wú)人駕駛飛機的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電遙控的無(wú)人機大部分使用JR或者Futaba公司出品的專(zhuān)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，通道數較少，難以滿(mǎn)足無(wú)人機執行任務(wù)時(shí)需要較多通道數的要求。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(shí)現更專(zhuān)業(yè)的功能，通道數也多，但是攜帶不方便，需要攜帶手提電腦或者PC到外場(chǎng)調試，還必須考慮電池續航問(wèn)題，造價(jià)也比較高昂，且需要專(zhuān)業(yè)的計算機軟件知識進(jìn)行編程。

為解決上述不便，本人提出了一種基于A(yíng)rduino的無(wú)人機控制器設計方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng )建，是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺.Arduino具有類(lèi)似java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，將AVR單片機相關(guān)的一些寄存器參數設置等都函數化了，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(shí)用的電路開(kāi)發(fā)系統，是一款價(jià)格低廉、易于開(kāi)發(fā)做應用的電子平臺。Arduino包括硬件和軟件在內的整個(gè)平臺是完全開(kāi)源的。該方案由于采用Arduino平臺，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，體驗真實(shí)飛行的感覺(jué)。由于接口較多，可以實(shí)現高達 20通道以上，能執行各種擴展任務(wù)，且不需要攜帶電腦。

系統原理與架構設計

系統框圖如圖1所示，分為兩大部分，分別是地面控制部分和控制執行部分。地面控制部分是由單片機讀取飛行遙桿的數據，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(xiàn)數傳模塊發(fā)送出去。

空中指令執行部分：

由空中無(wú)線(xiàn)數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，并轉換為飛控系統常用的PPM信號，該PPM信號可以直接驅動(dòng)飛控系統做出響應動(dòng)作，從而控制無(wú)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(gè)方法是通過(guò)搖桿的usb接口讀取，由于各個(gè)廠(chǎng)家的通訊協(xié)議都不兼容，有些還必須獲得授權，實(shí)現起來(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，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

我們采用的單片機系統采用了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組數字I/O其中14組可做PWM輸出)，16組模數轉換輸入端，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輸出的5v和地上，信號線(xiàn)接在A(yíng)rduino板的模擬輸入口上，由于A(yíng)rduino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的數值，FLY5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(xiàn)性的，反應較為靈敏的。實(shí)際測試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數據會(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(xiàn)。

3.無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

無(wú)線(xiàn)數傳模塊采用了一對X b e e P R O900HP無(wú)線(xiàn)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和連接飛行控制的單片機。配備原裝天線(xiàn)，最遠可以達到10KM，比傳統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($0.1530)，數傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗，防止數據丟包和被干擾篡改。

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，做出相應的驅動(dòng)舵機的動(dòng)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(shí)際上脈寬可以在0.5ms-2.5ms之間，脈寬和舵機的轉角0°-180°相對應。目前大多數無(wú)人機飛行控制器的接收部分都遵循1-2ms規范，50HZ的數據刷新率。本設計采用DJI公司的NAZA-M飛控模塊。

5.失控保護模塊

在空中指令執行部分的單片機控制系統中，設計失控保護裝置。在A(yíng)rduino中設計定時(shí)器中斷，每隔一段時(shí)間查詢(xún)有無(wú)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(wàn)變，因此可以設置為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秒內沒(méi)有收到地面的命令后，應該進(jìn)入失控保護，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，是傳統遙控器無(wú)法體驗的。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(xiàn)，空中配備3dBi原裝天線(xiàn)在開(kāi)闊地實(shí)測控制距離為8KM.在單向傳輸的時(shí)候沒(méi)有出現明顯延遲和抖舵，適合直升機或多旋翼無(wú)人機等低延時(shí)的控制要求，實(shí)測延時(shí)小于20ms.雙向傳輸的時(shí)候延時(shí)較大，甚至出現了500ms以上的延時(shí)，只能適用于固定翼和滑翔機等對延時(shí)要求不高的飛行器。通過(guò)對數傳模塊的分析，原因是數傳模塊大多都是在單頻率下，只能實(shí)現半雙工的無(wú)線(xiàn)傳輸，發(fā)送和接收切換需要延時(shí)，如果數據量大會(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。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據。為解決該問(wèn)題，只能使用2對無(wú)線(xiàn)模塊，或采用MIMO天線(xiàn)能實(shí)現全雙工的無(wú)線(xiàn)模塊，才能解決。后期將會(huì )繼續研究，以實(shí)現低成本的雙向傳輸，并實(shí)現實(shí)時(shí)數據返回的OSD和低延時(shí)控制。