四旋翼飛行器遙控發(fā)射接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 四旋翼飛行器遙控發(fā)射接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 （一）課題研究的目的和意義 隨著微電子、微導(dǎo)航、微機(jī)電技術(shù)的廣泛運(yùn)用，無人機(jī)技術(shù)很快就在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮，并得到了快速且長(zhǎng)足的發(fā)展。相對(duì)于其他無人機(jī)而言，四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低，方便維修和護(hù)理。除此之外，四旋翼飛行器還具有體積小、重量輕、控制靈活方便、可垂直起降、懸停等特點(diǎn)，不論是在軍事領(lǐng)域或是民用領(lǐng)域都得到了非常廣泛的運(yùn)用。 （二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 目前，我國(guó)的一些高校和科研機(jī)構(gòu)在四旋翼飛行器的研究上 也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。比如國(guó)防科技大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等。國(guó)防科技大學(xué)早就在 2004 年開始研究微小型飛行器的相關(guān)技術(shù)，是我國(guó)最早一批開展對(duì)四旋翼飛行器研究的高校之一，他們使用了自抗擾控制器（ 法以及反步法這兩種方法來對(duì)四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在接下來的幾年里，南京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)等等高校也進(jìn)行了對(duì)四旋翼飛行器的理論分析和計(jì)算機(jī)仿真，并都制作了屬于自己的四旋翼飛行器。 同時(shí)，四旋翼飛行器在商業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛，在 2013 年 9 月 3 日，順豐就在廣東東莞松山湖區(qū)域進(jìn) 行了無人機(jī)送貨內(nèi)測(cè)。順豐自主研發(fā)了該無人機(jī)的內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)，該飛行器飛行高度約為 100米，落點(diǎn)誤差基本上能夠控制在方圓兩米以內(nèi)，同時(shí)可以對(duì)路線和目的地來進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。如果測(cè)試可行，就可以大量減少人力成本。 除此以外，越來越多的四旋翼飛行器以一種娛樂設(shè)備的形式出現(xiàn)在大眾的視線里。通常這種四旋翼飛行器都攜帶著攝像頭，用戶可以通過手持設(shè)備來對(duì)飛行器進(jìn)行控制，以此來給用戶帶來樂趣。 2. 國(guó)外四旋翼飛行器的研究 國(guó)外四旋翼飛行器的發(fā)展非常迅速，因?yàn)樗麄冊(cè)谶@一領(lǐng)域已經(jīng)擁有了非常悠久的歷史，同時(shí)還有著深厚底蘊(yùn)的研發(fā)團(tuán) 隊(duì)。四旋翼飛行器在多旋翼無人飛行器中是較為常見的一種類型 ,其對(duì)硬件平臺(tái)的要求較高 ,相應(yīng)的難度也較大。國(guó)外有很多高校和科研機(jī)構(gòu)都做出了一定的成果，有進(jìn)行室外研究和室內(nèi)研究的，其中進(jìn)行室外研究的有美國(guó)斯坦福大學(xué)，日本千葉大學(xué)以及美國(guó)奧克蘭大學(xué)和法國(guó)貢比涅技術(shù)大學(xué)等。進(jìn)行室內(nèi)的有美國(guó)麻省理工大學(xué)，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和瑞士聯(lián)邦技術(shù)機(jī)構(gòu)等。除了高校和科研單位，國(guó)外的一些商業(yè)公司也加入到對(duì)四旋翼飛行器的研究行列，如美國(guó)的 司和德國(guó)的司等。 近年來，國(guó)外研發(fā)了很多高性能的 飛行器。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家四旋翼飛行器已經(jīng)在軍事和商業(yè)領(lǐng)域都取得了非常顯著的成就。其中比較具有代表性的就是 4、 4 是美國(guó) 發(fā)的遙控飛機(jī)。如圖 示。該飛行器具有良 2 好的可靠性和穩(wěn)定性， 并且 它還具有懸浮功能，對(duì)于拍攝有很大的幫助。當(dāng)控制器失控時(shí)，它甚至可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)著陸，從而保證飛行器和攝像設(shè)備的安全。 圖 1. 1 二、 總體方案設(shè)計(jì) （一）總體設(shè)計(jì)原理 本次設(shè)計(jì)硬件主要為遙控器部分，處理器采用 32 位基于 核的 片，遙控器和飛行器之間的數(shù)據(jù)通信采用的是 用無線通信頻段的 塊。遙控器外型類似與游戲手柄。遙控器通過采集蘑菇頭搖桿電位器 壓值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送給飛行器。 （二）總體設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)采用 控制器作為 且均采用 電電池作為電源為系統(tǒng)供電，電池通過 片穩(wěn)壓到 及外設(shè)供電。遙控器端的主要硬件部分包括最小系統(tǒng)、無線 塊、程序下載、 集、蜂鳴器、 示燈以及串口調(diào)試，飛行器端硬件主要部分有最小系統(tǒng)、程序下載，無線 塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、慣性測(cè)量單元 及 系統(tǒng)總體框圖如下所示。 - 遙控器桿控制 狀態(tài)顯示 源 蜂鳴器 按鈕 遙控器源 狀態(tài)顯示 池電量監(jiān)控 慣性測(cè)量單元 復(fù)位 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 3 （ 1） 制中心 飛行器以及遙控器的控制中心，是它們的大腦，主要功能是采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并做 出指示。本次設(shè)計(jì)采用的是 32 位的基于 內(nèi)核的 為中央處理器。 （ 2）通信模塊 通信模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起著信號(hào)交流的作用，遙控器通過 取的按鍵信息以及油門方向值發(fā)送到飛行器端，飛行器端接收到之后做出相應(yīng)的動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)主要采用 線通信模塊，選擇該模塊的原因是因其通信協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） 態(tài)指示 在硬件電路設(shè)計(jì)中， 先必須要有電源指示燈，從而判斷系統(tǒng)是否上電。同時(shí)還需要有信號(hào)指示燈，指示遙控器和飛行器是 否通信，最后就是狀態(tài)顯示 顯示飛行器狀態(tài)等等。 本次設(shè)計(jì)軟件部分包括遙控器程序以及飛行器的接收程序設(shè)計(jì)。遙控器程序設(shè)計(jì)主要包括有無線送、 壓采集之后的處理、讀取按鍵狀態(tài)和 指示等，涉及的軟件包括 信協(xié)議、 模轉(zhuǎn)換、 I/O 口驅(qū)動(dòng)等。飛行器端程序涉及部分主要包括 收、 態(tài)燈等。 三 、 硬件電路設(shè)計(jì) （一）遙控器的硬件設(shè)計(jì) 如圖 示，遙控器主要由處理器、無線收發(fā)模塊和 4 路搖桿器三部分組成。 主處理器及其最小系統(tǒng) 的電路和飛行器的電路相同。主要利用處理器片內(nèi)的 換器采集搖桿的信息，然后將四路電位器的輸出引腳接到處理器的 換口，免去了外接 換芯片以及配置電路的麻煩，大大節(jié)省了硬件空間。無線收發(fā)模塊選用 線通信模塊 模塊，傳輸距離大概在1100m 左右。 圖 3. 1 遙控硬件配置： 2 傳感器： 軸加速度、三軸陀螺儀 通信方式： 口藍(lán)牙、串口 口 433 等 通信芯片 ： 口芯片，串口波特率可以上 M，輕松穩(wěn)定高速通信 4 1. 處理器 （ 1） 針對(duì)各公司單片機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較 從總體上來講， 控制能力較強(qiáng)，速度快功耗也低，價(jià)格也適中，同時(shí)還可以加操作系統(tǒng)；速度最快，但同時(shí)價(jià)格更高，更適用于高速信號(hào)處理系統(tǒng)； 適用于簡(jiǎn)單的控制，編程也簡(jiǎn)單方便，同時(shí)價(jià)格也更加實(shí)惠。 從運(yùn)算能力上看，因?yàn)?8 位的； 32 位； 16 位，以及更高的。所以 弱，強(qiáng)， 較中庸。 從結(jié)構(gòu)上看， 一般的馮諾依曼結(jié)構(gòu)， 般采用哈佛結(jié)構(gòu)。 從頻率上看， 作頻率最低，一般為 1024此功耗也低。 功率一般在幾十到200間。而 頻率高達(dá) 300上，同時(shí)功耗也大。 雖然 性能遠(yuǎn)不如其他兩種，但它的性價(jià)比很高，面積也非常小，還能配比非常豐富的外圍電路，同時(shí)，這些也限制了它的使用，因此 要應(yīng)用于不需要太多計(jì)算量的系統(tǒng)。 對(duì)于其他兩種的優(yōu)點(diǎn)在于其內(nèi)部的模塊或者總線接口功能十分豐富。同時(shí)， 腳也多。 （ 2） 芯片簡(jiǎn)介 用哈佛結(jié)構(gòu)，采用的是分離的指令以 及數(shù)據(jù)總線，相比于馮諾依曼結(jié)構(gòu)而言處理速度更快。 成本以及功耗方面具有非常優(yōu)秀的性能，并且非常適用于汽車以及無線通信領(lǐng)域。 列處理器是由 司按照 核標(biāo)準(zhǔn)打造的，其追求的是高性能、低成本、低功耗。按照其性能可以分為增強(qiáng)型 列以及基本型 列兩種。 本設(shè)計(jì)中使用的是增強(qiáng)型 概述：閃存 512K 字節(jié)、 4K、 3 x 2 x 2 x 3 x 16 位定時(shí)器、4振蕩器、實(shí)時(shí)鐘、 2 x 看門狗、復(fù)位電路 、上電 /斷電復(fù)位、電壓檢測(cè)、 7 通道 80% 通用 I/O 管腳、內(nèi)嵌 8 蕩器、和 32 蕩器、 722 x 12 位 溫度傳感器、 速、 時(shí)器。 本次設(shè)計(jì)無線通信模塊采用的是 塊。 塊。 有以下特性： 真正的 收發(fā)芯片 內(nèi)置鏈路層 增強(qiáng)型 自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能 地址及 驗(yàn)功能 數(shù)據(jù)傳輸率 1 或 2 口數(shù)據(jù)速率 08 125 個(gè)可選工作頻道 很短的頻道切換時(shí)間可用于調(diào)頻 與 列完全兼容 可接受 5V 電平的輸入 極低的晶振要求 60 工作電壓 旋翼無人機(jī)要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫?操作者 將操作指令發(fā)送給無人機(jī)，這些都 需要通過無線數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)選用了 線通信模塊，這是一款 線通信模塊，采用原裝進(jìn)口 5 的 片，配備 20率 放大芯片，使模塊最大發(fā)射功率達(dá)到了 10020并同時(shí)將接收靈敏度提升到 10得模塊超過 身 10 倍以上的發(fā)射距離，傳輸距離可以達(dá)到 1100m。 塊實(shí)物如圖 示。 塊引腳及尺寸下圖 示。模塊與模塊之間采用 線網(wǎng)絡(luò)頻段通信，其電路原理圖如圖 示。無線 塊與 間連接口如表 3示。 圖 6 圖 3腳 腳 功能 E 使能發(fā)送或接收 選信號(hào) 鐘信號(hào) 據(jù)輸入腳 據(jù)輸出腳 （ 1） 模塊簡(jiǎn)介 塊引腳描述 引腳序號(hào) 名稱 方向 描述 1 地線，連接到電源參考地 2 供電電源，必須 3 入 模塊控制引腳 4 入 模塊片選引腳，用于開始一個(gè) 信 5 入 模塊 6 入 模塊 7 出 模塊 7 8 出 模塊中斷信號(hào)輸出，低電平有效 塊的參數(shù) 序號(hào) 參數(shù)名稱 參數(shù)數(shù)值 備注 1 模塊尺寸 15*27含 線座 2 接口方式 *4 可使用 準(zhǔn)杜邦線，可用于萬能板 3 供電電壓 意：高于 壓，將導(dǎo)致模塊永久損毀 4 通信電平 模塊供電電壓 5 實(shí)測(cè)距離 1157m 條件：市區(qū)，空曠， 30，可視，陰天， 250K 6 最大功率 20合 100 空中速率 250K， 1M， 2M 三種速率可以軟件調(diào)節(jié) 8 關(guān)斷電流 1uA 置為掉電， 電平 9 功率等級(jí) 4 級(jí)可調(diào) 片功率不可調(diào) 10 發(fā)射電流 95值 11 接受電流 20E=1 12 天線接口 螺內(nèi)孔型 13 天線要求 螺內(nèi)針， 段， 50 歐姆阻抗 14 通信接口 高速率 105 發(fā)射長(zhǎng)度 32 字節(jié) 單個(gè)數(shù)據(jù)包 32 字節(jié) 最大， 3 級(jí) 6 接收長(zhǎng)度 32 字節(jié) 單個(gè)數(shù)據(jù)包 32 字節(jié)最大， 3 級(jí) 7 持 不支持 僅支持簡(jiǎn)單的丟包統(tǒng)計(jì) 18 工作溫度 5 無 19 工作濕度 #05; / 為 06; 47; 34; ; ay,ax,by,cy,cx,dy,0=0; 0=0; ; #1 ; ; ; /橫滾角 /仰俯角 /自旋角 15 500;/風(fēng)門校準(zhǔn) =1500;/反轉(zhuǎn)校準(zhǔn) =1500;/橫滾校準(zhǔn) =1500;/偏航校準(zhǔn) #1 /左手油門。 ; /獲取 u8 ch,u8 ; u8 t; t=0;t=2000)?2000: 16 1000+(1000*(,15)/256) 000)?2000: 1000+(1000*(,15)/256) 000)?2000: 1000+(1000*(,15)/256) 000)?2000: #*右手油門 */ 500 - ( (1000 + (1000*,15)/4096); 000)?2000: 1500 - (000 + (1000 - (1000*,15)/4096); 000)?2000: 1500 - ( (1000 + (1000*,15)/4096); 000)?2000: 1500 - ( (1000 + (1000*,15)/4096); 000)?2000: # /校準(zhǔn)搖桿。 u8 i; 17 =0,0,0,0; / ; 20; i=0;i8); /發(fā)送遙控器數(shù)據(jù)。 ; $); M); =255) 22 =255; /用上電記錄的數(shù)據(jù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，保證搖桿中位時(shí)數(shù)據(jù)為 128 255) =255; 255) =255; ) ; =0;/加入結(jié)束符 0,170,239,32,16,); ,188,240,218, 500); ; 27 接收端代碼 # # u8 t=0; u8 ; ; /延時(shí)函數(shù)初始化 ; /設(shè)置 :2位搶占優(yōu)先級(jí)， 2位響應(yīng)優(yōu)先 級(jí) 600); /串口初始化為 9600 ; /; /初始化 ; /按鍵初始化 ; /初始化 / 0,50,200,16,16,; 0,70,200,16,16,; 0,90,200,16,16,; 0,110,200,16,16,2013/9/23); ) /檢查 0,130,200,16,16,; 00); 0