四旋翼飞行器遥控发射接收系统设计方案

1 四旋翼飞行器遥控发射接收系统设计方案 （一）课题研究的目的和意义 随着微电子、微导航、微机电技术的广泛运用，无人机技术很快就在全世界范围内掀起了研究热潮，并得到了快速且长足的发展。相对于其他无人机而言，四旋翼飞行器的结构较为简单，成本也相对较低，方便维修和护理。除此之外，四旋翼飞行器还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、悬停等特点，不论是在军事领域或是民用领域都得到了非常广泛的运用。 （二）国内外发展及研究现状 目前，我国的一些高校和科研机构在四旋翼飞行器的研究上 也取得了长足的发展。比如国防科技大学，哈尔滨工业大学和南京航空航天大学等。国防科技大学早就在 2004 年开始研究微小型飞行器的相关技术，是我国最早一批开展对四旋翼飞行器研究的高校之一，他们使用了自抗扰控制器（ 法以及反步法这两种方法来对四旋翼飞行器的控制系统进行设计。在接下来的几年里，南京航空航天大学、南京理工大学等等高校也进行了对四旋翼飞行器的理论分析和计算机仿真，并都制作了属于自己的四旋翼飞行器。 同时，四旋翼飞行器在商业上的应用也越来越广泛，在 2013 年 9 月 3 日，顺丰就在广东东莞松山湖区域进 行了无人机送货内测。顺丰自主研发了该无人机的内置导航系统，该飞行器飞行高度约为 100米，落点误差基本上能够控制在方圆两米以内，同时可以对路线和目的地来进行预先设定。如果测试可行，就可以大量减少人力成本。 除此以外，越来越多的四旋翼飞行器以一种娱乐设备的形式出现在大众的视线里。通常这种四旋翼飞行器都携带着摄像头，用户可以通过手持设备来对飞行器进行控制，以此来给用户带来乐趣。 2. 国外四旋翼飞行器的研究 国外四旋翼飞行器的发展非常迅速，因为他们在这一领域已经拥有了非常悠久的历史，同时还有着深厚底蕴的研发团 队。四旋翼飞行器在多旋翼无人飞行器中是较为常见的一种类型 ,其对硬件平台的要求较高 ,相应的难度也较大。国外有很多高校和科研机构都做出了一定的成果，有进行室外研究和室内研究的，其中进行室外研究的有美国斯坦福大学，日本千叶大学以及美国奥克兰大学和法国贡比涅技术大学等。进行室内的有美国麻省理工大学，美国宾夕法尼亚大学和瑞士联邦技术机构等。除了高校和科研单位，国外的一些商业公司也加入到对四旋翼飞行器的研究行列，如美国的 司和德国的司等。 近年来，国外研发了很多高性能的 飞行器。在欧美发达国家四旋翼飞行器已经在军事和商业领域都取得了非常显著的成就。其中比较具有代表性的就是 4、 4 是美国 发的遥控飞机。如图 示。该飞行器具有良 2 好的可靠性和稳定性， 并且 它还具有悬浮功能，对于拍摄有很大的帮助。当控制器失控时，它甚至可以实现自动着陆，从而保证飞行器和摄像设备的安全。 图 1. 1 二、 总体方案设计 （一）总体设计原理 本次设计硬件主要为遥控器部分，处理器采用 32 位基于 核的 片，遥控器和飞行器之间的数据通信采用的是 用无线通信频段的 块。遥控器外型类似与游戏手柄。遥控器通过采集蘑菇头摇杆电位器 压值以及按键状态发送给飞行器。 （二）总体设计方案 本次设计采用 控制器作为 且均采用 电电池作为电源为系统供电，电池通过 片稳压到 及外设供电。遥控器端的主要硬件部分包括最小系统、无线 块、程序下载、 集、蜂鸣器、 示灯以及串口调试，飞行器端硬件主要部分有最小系统、程序下载，无线 块、电机驱动、惯性测量单元 及 系统总体框图如下所示。 - 遥控器杆控制 状态显示 源 蜂鸣器 按钮 遥控器源 状态显示 池电量监控 惯性测量单元 复位 电机驱动 3 （ 1） 制中心 飞行器以及遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是采集数据和处理数据并做 出指示。本次设计采用的是 32 位的基于 内核的 为中央处理器。 （ 2）通信模块 通信模块在整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过 取的按键信息以及油门方向值发送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计主要采用 线通信模块，选择该模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。 （ 3） 态指示 在硬件电路设计中， 先必须要有电源指示灯，从而判断系统是否上电。同时还需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是 否通信，最后就是状态显示 显示飞行器状态等等。 本次设计软件部分包括遥控器程序以及飞行器的接收程序设计。遥控器程序设计主要包括有无线送、 压采集之后的处理、读取按键状态和 指示等，涉及的软件包括 信协议、 模转换、 I/O 口驱动等。飞行器端程序涉及部分主要包括 收、 态灯等。 三 、 硬件电路设计 （一）遥控器的硬件设计 如图 示，遥控器主要由处理器、无线收发模块和 4 路摇杆器三部分组成。 主处理器及其最小系统 的电路和飞行器的电路相同。主要利用处理器片内的 换器采集摇杆的信息，然后将四路电位器的输出引脚接到处理器的 换口，免去了外接 换芯片以及配置电路的麻烦，大大节省了硬件空间。无线收发模块选用 线通信模块 模块，传输距离大概在1100m 左右。 图 3. 1 遥控硬件配置： 2 传感器： 轴加速度、三轴陀螺仪 通信方式： 口蓝牙、串口 口 433 等 通信芯片 ： 口芯片，串口波特率可以上 M，轻松稳定高速通信 4 1. 处理器 （ 1） 针对各公司单片机的优缺点比较 从总体上来讲， 控制能力较强，速度快功耗也低，价格也适中，同时还可以加操作系统；速度最快，但同时价格更高，更适用于高速信号处理系统； 适用于简单的控制，编程也简单方便，同时价格也更加实惠。 从运算能力上看，因为 8 位的； 32 位； 16 位，以及更高的。所以 弱，强， 较中庸。 从结构上看， 一般的冯诺依曼结构， 般采用哈佛结构。 从频率上看， 作频率最低，一般为 1024此功耗也低。 功率一般在几十到200间。而 频率高达 300上，同时功耗也大。 虽然 性能远不如其他两种，但它的性价比很高，面积也非常小，还能配比非常丰富的外围电路，同时，这些也限制了它的使用，因此 要应用于不需要太多计算量的系统。 对于其他两种的优点在于其内部的模块或者总线接口功能十分丰富。同时， 脚也多。 （ 2） 芯片简介 用哈佛结构，采用的是分离的指令以 及数据总线，相比于冯诺依曼结构而言处理速度更快。 成本以及功耗方面具有非常优秀的性能，并且非常适用于汽车以及无线通信领域。 列处理器是由 司按照 核标准打造的，其追求的是高性能、低成本、低功耗。按照其性能可以分为增强型 列以及基本型 列两种。 本设计中使用的是增强型 概述：闪存 512K 字节、 4K、 3 x 2 x 2 x 3 x 16 位定时器、4振荡器、实时钟、 2 x 看门狗、复位电路 、上电 /断电复位、电压检测、 7 通道 80% 通用 I/O 管脚、内嵌 8 荡器、和 32 荡器、 722 x 12 位 温度传感器、 速、 时器。 本次设计无线通信模块采用的是 块。 块。 有以下特性： 真正的 收发芯片 内置链路层 增强型 自动应答及自动重发功能 地址及 验功能 数据传输率 1 或 2 口数据速率 08 125 个可选工作频道 很短的频道切换时间可用于调频 与 列完全兼容 可接受 5V 电平的输入 极低的晶振要求 60 工作电压 旋翼无人机要将数据传输到地面， 操作者 将操作指令发送给无人机，这些都 需要通过无线数据通信来实现，本设计选用了 线通信模块，这是一款 线通信模块，采用原装进口 5 的 片，配备 20率 放大芯片，使模块最大发射功率达到了 10020并同时将接收灵敏度提升到 10得模块超过 身 10 倍以上的发射距离，传输距离可以达到 1100m。 块实物如图 示。 块引脚及尺寸下图 示。模块与模块之间采用 线网络频段通信，其电路原理图如图 示。无线 块与 间连接口如表 3示。 图 6 图 3脚 脚 功能 E 使能发送或接收 选信号 钟信号 据输入脚 据输出脚 （ 1） 模块简介 块引脚描述 引脚序号 名称 方向 描述 1 地线，连接到电源参考地 2 供电电源，必须 3 入 模块控制引脚 4 入 模块片选引脚，用于开始一个 信 5 入 模块 6 入 模块 7 出 模块 7 8 出 模块中断信号输出，低电平有效 块的参数 序号 参数名称 参数数值 备注 1 模块尺寸 15*27含 线座 2 接口方式 *4 可使用 准杜邦线，可用于万能板 3 供电电压 意：高于 压，将导致模块永久损毁 4 通信电平 模块供电电压 5 实测距离 1157m 条件：市区，空旷， 30，可视，阴天， 250K 6 最大功率 20合 100 空中速率 250K， 1M， 2M 三种速率可以软件调节 8 关断电流 1uA 置为掉电， 电平 9 功率等级 4 级可调 片功率不可调 10 发射电流 95值 11 接受电流 20E=1 12 天线接口 螺内孔型 13 天线要求 螺内针， 段， 50 欧姆阻抗 14 通信接口 高速率 105 发射长度 32 字节 单个数据包 32 字节 最大， 3 级 6 接收长度 32 字节 单个数据包 32 字节最大， 3 级 7 持 不支持 仅支持简单的丢包统计 18 工作温度 5 无 19 工作湿度 #05; / 为 06; 47; 34; ; ay,ax,by,cy,cx,dy,0=0; 0=0; ; #1 ; ; ; /横滚角 /仰俯角 /自旋角 15 500;/风门校准 =1500;/反转校准 =1500;/横滚校准 =1500;/偏航校准 #1 /左手油门。 ; /获取 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: #*右手油门 */ 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: # /校准摇杆。 u8 i; 17 =0,0,0,0; / ; 20; i=0;i8); /发送遥控器数据。 ; $); M); =255) 22 =255; /用上电记录的数据对采样数据进行修正，保证摇杆中位时数据为 128 255) =255; 255) =255; ) ; =0;/加入结束符 0,170,239,32,16,); ,188,240,218, 500); ; 27 接收端代码 # # u8 t=0; u8 ; ; /延时函数初始化 ; /设置 :2位抢占优先级， 2位响应优先 级 600); /串口初始化为 9600 ; /; /初始化 ; /按键初始化 ; /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); ) /检查 0,130,200,16,16,; 00); 0