无人机遥测数传通信链路

1、无人机数传模块简介在多旋翼无人机上常常会用到的 433MHZ/915MH数传模块，也常被叫做 “数传电台”、“无线数传模块”、“无线电遥测”等。它是利用数字信号处理技 术(Digital Signal Processing，简称 DSP 和无线电技术(RadioEngineering )来实现稳定可靠的数据传输功能。由于采用了 DSP技术，使得数传这种通讯媒介具有很优异的性能以及备广 泛应用于各个行业。数传抗干扰能力强，受噪声影响小且可以通过校验等方式 滤除干扰信息，对器件和电路的差异不敏感，最大的特点是可以多次再 生恢复而不降低质量，还具有易于处理、调度灵活、高质量、高可靠性、维护 方便等特

2、点。数传作为和飞控的无线数据交互工具，可以把无人机的实时状态信息传回 到地面接收装置，如电机转速、电池电压、实时高度、GPS位置、姿态角度等，这些信息可以供爱好者或开发者更好的对无人机进行各方面的优化工作。数传在其他领域也有很广泛的应用：如电力电气 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition) 系统，点多而分散的配变站十分适宜数传的使 用；油田、煤矿、水文、气象等地理环境复杂数据采集工作；城市水处理、集 中供热等市政工程无人值守化的推进数传也在大展身手等等。 调制方式的划分)、QAM数字信号的调制方式有 MSK (Minimum Shift K

3、eying) 、 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying )、 QPSK( Quadrature Phase Shift Keyin( Quadrature Amplitude Modulation )、 CPFSK( Continuous-phase frequency-shift keying )、 GMS(K Gaussian Filtered Minimum Shift Keying )等等，它们都是根据 ASK FSK和PSK(调幅、调频和调相)的组合或 改进而得来的。下面对常见的数字调制方法ASK FSK MSK GFSK GMS进行原理的简单介绍

4、：传输距离及其影响因素市面上常见的航模数传都是采用 3DR方案的数传模块，分为100MW和 500MV两个版本，100MW勺传输距离为500-1000米左右，500MW的传输距离为 3000-5000 米左右，(此为实际传输距离，非理论值) 。对于数传来讲，传输距 离的影响因素很多，如发射机功率，接收机灵敏度，天线的增益，有无遮挡等 等。除了常用的以外也有基于 3G或4G网络的图传数传一体设备，这样基本不 受距离的限制。但是由于多轴的续航大部分在 20分钟左右，使得超远距离的数 传对于飞行的实际意义不大，通常采用1KM-5KM左右的数传基本可以达到使用 要求。数传接收机的灵敏度一般都在-100

5、dbm到-120dBm左右，一般也就只有改变 发射机的功率来增加传输距离；也可以通过天线来增加通信距离，一般来讲， 天线的增益越高，可以提供的通信距离越远，大的多轴可以采用定向天线来获 得更远的传输距离；遮挡也会对传输信号的产生影响，所以尽量在空旷的地方 飞行；此外还有传播衰耗，此种衰耗可以理解为是由于辐射能量的扩散引起的 衰耗等。ST微控制器的串口通讯任何UART双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚( RX和发 送数据输出引脚( TX)。? RX接收数据输入引脚就是串行数据输入引脚。过采样技术可区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。? TX:发送数据输出引脚。如果关闭发送器，该输

6、出引脚模式由其I/O 端口配置决定。如果使能了发送器但没有待发送的数据，则 TX 引脚处于 高电平。在单线和智能卡模式下，该 I/O 用于发送和接收数据（ USART 电平下，随后在SW_RX上接收数据）。在同步模式下连接时需要以下引脚:? SCLK发送器时钟输出。该引脚用于输出发送器数据时钟，以便按照SPI 主模式进行同步发送（起始位和结束位上无时钟脉冲，可通过软件 向最后一个数据位发送时钟脉冲） 。 RX 上可同步接收并行数据。这一点 可用于控制带移位寄存器的外设（如 LCD 驱动器）。时钟相位和极性可 通过软件编程。在智能卡模式下，SCLK可向智能卡提供时钟。? 在硬件流控制模式下需要以

7、下引脚：? nCTS “清除以发送”用于在当前传输结束时阻止数据发送（高电平 时）。? nRTS “请求以发送”用于指示 USART已准备好接收数据（低电平时）。 数传模块的硬件接口我们通常用到的数传接口有 USB接口，mini USB接口以及4?6Pin的1.27MM 小白座等。USB 接口：USB 接口是英文 Universal Serial Bus 的缩写，中文含义是“通用串行总 线”。它是一种应用在PC端的接口技术。早在1995年，就已经有了 PC机带了 USB接口，但由于缺乏软件和硬件设备的支持，这些PC机的接口都闲置未用。1998年后，随着微软在 Windows98中内置了对USB

8、的支持模块，加上USB设备 日益增多，USB接 口才逐步走进了实际应用阶段。USB 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点：? 可以热插拔。也就是用户在外接设备时不用开关机这样的动作，而是直 接在PC机开机状态下插上USB就可以用了。?携带方便。USB设备大多小而轻，方便用户在任意场合随时使用。?标准统一。早年，大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并 口的打印机等，但是在有了 USB之后，这些外用设备统统可以用同样的 标准与PC机进行连接。?可以连接多个设备。USB在 PC机上往往具有多个接口，可以同时连接多 个设备。Mi niUSB接 口：MiniUSB，又称迷你USB是一种US

9、B接口标准，MiniUSB体积小，适用于移 动设备等小型电子设备。 Mini USB分为A型，B型和AB型。MiniB型5Pin这 种接口可以说是最常见的一种接口了，这种接口由于防误插性能出众，体积也 比较小巧，所以正在赢得很多的厂商青睐，这种接口广泛出现在读卡器、MP3、数码相机以及移动硬盘上。信源编码信源编码是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行的变换。具体 说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号 序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时 又能保证无失真地恢复原来的符号序列。信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，

10、即通常所说的 数据压缩；码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通 信的有效性。作用之二是当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其 转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源编码是对输入信息进行编码，优化信息和压缩信息并且打成符合标准 的数据包。 串口通信协议所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方 式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规 定，通信双方必须共同遵守。串口的配置参数有波特率、数据位、停止位和奇偶校验。在飞控程序中对 使用到的串口进行相应的配置，就能发送数据，在接收端进行相应的设置，就 可以接收飞控发出的

11、数据。简单的串口通信协议的数据包的格式可以自行规 定，例如55 AA XX XX AA 55这样的数据包，其中55 AA作为协议的开始标 志，AA 55作为协议的结束标志，其中XX XX作为发送的数据，在主机端数据 以这样的格式进行打包发送，PC端或者是其他接收端则接收到数据包按数据格 式进行数据的解析就能获取相应的数据。MAVLINI协、议简介MAVL ink 是一种轻量，只包含头文件信息调度库的通信协议，遵从GNU的LGPL许可协议。主要用于地面站（GCS和微型无人运载工具间的通信。可 以传输微型无人运载工具的方向、GPS言息和速度等信息。MAVLi nk协议可以工作在2.4G、900M

12、433M波段，兼容传统无线发射设备，能够全双工工作。该协 议比较简单，可完全满足一般微型无人机的通信需求，是一种极具应用价值的 开源通信协议。MAVL ink 完全面向两个特性而设计：速度与安全。它允许检查丢失的数据 包，但是每个消息只需要6字节的开销。MAVLink的体系结构，MAVLink分为地 面站和载具两部分。两者可以通过串行通信、无线调制解调器、UDP用户数据MAVLink层、MAN抽由象报协议）、WIFI802.11bgn链接。地面站部分分为三层：航点等）。任务库是载具快速执层、用户接口层。MAVL ink层是硬件层，产生与载具通信的数据帧，保证报文 格式的稳定，负责直接与载具通信

13、。在 MAV由象层中包括各种MAV!标函数， 这一层允许MAVLink适用于不同的自驾仪系统。最上层是用户界面层，包括 2D 地图界面、平显。载具部分有两层，底层为与地面直接通信的数据格式层，上 层是包括自驾仪数据结构和任务库（包括参数、 行参数和航线协议的保证。了皮特率载波频率刷新率数据负载浮点值1152002*4 GHz50 Hz224 bytes561152002.4 GHz100109 bytes27576002A GHz100 Hz51 bytes129600900MHz50 Hz13 bytes39600900MHz20 Hz42 bytes10A StepUhtsvuf Lhr

14、inrefl sewn HD i pcje；rNHS “=，三二 =!； RH.HHriUpIMAVUAVLunk1 1忙Ji；rFcrnrttIMAVLif* Liyr亠* MAVOVIH lOtlWCJtHy irpwnari pafarrtcfi end Aifwni pgioKilAnorf Pa：denAotopdod Qau StjctufnMAVLINI数据包结构MAVLINI传输时的基本单位是消息帧，每一帧的消息结构如下:9TX LENi SEO SYS COMP MSOMAVLink Frame 一 8-263 bytesPAVLOAOCKA CKB其中除了灰色外，其他的格子

15、都代表了一个字节的数据。红色的是起始标志位（stx ），在V1.0版本中以“ FE作为起始标志。这个 标志位在mavlink消息帧接收端进行消息解码时有用处。第二个格子代表的是灰色部分（Payload，称作有效载荷，要用的数据在有 效载荷里面）的字节长度（len），范围从0到255之间。在mavli nk消息帧接 收端可以用它和实际收到的有效载荷的长度比较，以验证有效载荷的长度是否 正确。第三个格子代表的是本次消息帧的序号（seq）,每次发完一个消息，这个 字节的内容会加1，加到255后会从0重新开始。这个序号用于 mavlink消息 帧接收端计算消息丢失比例用的，相当于是信号强度。sys),

16、用于第四个格子代表了发送本条消息帧的设备的系统编号（ mavlink消息帧接收端识别是哪个设备发来的消息。comp),用于第五个格子代表了发送本条消息帧的设备的单元编号（mavlink消息帧接收端识别是设备的哪个单元发来的消息（暂时没什么用）。第六个格子代表了有效载荷中消息包的编号（msg），注意它和序号是不同 的，这个字节很重要，mavlink消息帧接收端要根据这个编号来确定有效载荷 里到底放了什么消息包并根据编号选择对应的方式来处理有效载荷里的信息 包。最后两个字节是16位校验位，ckb是咼八位，cka是低八位。校验码由 crc16算法得到，算法将整个消息（从起始位开始到有效载荷结束，还要

17、额外 加上个MAVLINK_CRC_EX1字节）进行crc16计算，得出一个16位的校验码。 之前提到的每种有效载荷里信息包（由消息包编号来表明是哪种消息包）会对 应一个 MAVLINK_CRC_EXTRA个 MAVLIN_CRC_EXT是由生成 mavlink 代码的 xml文件生成的，加入这个额外的东西是为了当飞行器和地面站使用不同版本 的mavlink协议时，双方计算得到的校验码会不同，这样不同版本间的mavlink协议就不会在一起正常工作，避免了由于不同版本间通讯时带来的重 大潜在问题。MAVLINK肖息帧讲解在mavlink消息帧里最重要的两个东西，一个是 msgid； 个是payl

18、oad , 前者是Payload中内容的编号，后者则存放了消息。消息有许多种类型，在官 网的网页中中以蓝色的“ #”加数字的方式来表示消息的编号如“ #0”（这样的 表示方法应该是为了方便在网页中查找相应编号消息的定义）。在官网介绍网页里往下拉，大概拉到二分之一的位置处，开始出现“MAVLink Messages的介绍，往下看是各种消息的数据组成说明。下面将以heartbeat消息为例，讲解mavlink 消息。以#0消息为例，这个消息叫心跳包（heartbeat ）。它一般用来表明发 出该消息的设备是活跃的，飞行器和地面站都会发出这个信号（一般以 1Hz发 送），地面站和飞行器会根据是否及时

19、收到了心跳包来判断是否和飞行器或地面 站失去了联系。CMD IDFirldl NameDescriprlianMAV_TypE_GEWERICMAV TYPE FIXED WINGWAV TYPE QUADROTOR0走g 四轴MAV TYPE COAXIALMAV TYPE HELICOPTERMAV_T Y PE_ A NIEN MA_TRACK ERMAVTY PEGCSMAV TYPE AIRSHIPMAV_T Y PE_F R E E_0ALbOO N10MAVrV PEROCKETMJW TYPE GROUND ROVEflMAV_TVPE_SU RFACE_BOAT1213MAV

20、_TyPE_5U DMARI MEMAV TYPE HEXAROrOR14MAV_TypE_OCTOROTOR15MAV TYPE TFEICOPTEf16MAV TYPE FLAPPIMG WING17MAV TYPE KITE共轴 直机地面站 有控飞艇 自由飞气球 火箭地面车輛 水面船艇六轴 八轴三轴 扑翼机 风筝autopilpif base modeTvppD(?scriptioriohitSj飞荷器类坐ulnTS_i飞控凰苔uMtej垂址当前輕式t=J-#MAV_MODE_FLAGcu 砒 on_mgd mV8tern_jtBtua mrlihk vnienatiir32_tuiht

21、SlulfttB t mcivNnh ver5lonHI户自定义槐式 葢焼状态可参兰hM世TATf 胡Mijrik版奉.用户不硫ffi，协汶恆用专屈如se 类包自旨生成在表中可以看出，心跳包由6个数据组成，第一个是占一个字节的飞行器类型数据（type ）,这个数据表示了当前发消息的是什么飞行器，比如四旋翼， 固定翼等等。type的取值如何与飞行器类型对应，这在官方的mavlink消息介绍网页可以找到，位于网页开始出的数据枚举中。MAVLINI数据包结构其中，第一个是通用飞行器，对应的type数值是0;第二个是固定翼类 型，对应的数值是1;第三个对应的是四旋翼，对弈的数值是 2,依次类推。对 于

22、飞行器端则代表了当前飞行器的类型，地面站可以根据这个参数来判断飞行 器的类型并作出相应的反应。OUID IDRirld NameI Pescrip土ion11iz131415lb17MAV PfPEMAV T7PEMAV TVPEMAVJPfPEMAV nPEMAV TYPEMAVP/PE MAV PEGEWEMCFIXED WINGCUADROTORCO/UCIALHELICOPTERANTENNA TRACKERGCSAIRSHIP_FREE_BALLOON：_rOCKETMAV_TVPEMAV_T7PEMAV TYPE GROUND ROVERMAV_TYPE_SURFACE_BOArM

23、AV_T7PE MAV TfPEMAVTYPEMAV_T1PE MAV TYPEMAV P/PESUBMARINEHEXAROTOROCTOROTORTRI 匚 OPTERFLAPPIIIIMG WIINGKITE直机地面跟踪天线 地面站有控飞艇 自由飞气球 火箭地面车辆 水面船艇 潜艇 六轴 八轴 三轴 扑翼机 风筝类型，比如apm ppz,第二个参数是自驾仪（即通常所说的飞控）Pixhawk等飞控，具体定义查找和之前查找飞行器类型时的方法一样。同样 的，对于发送心跳包的飞行器来说代表了自己的飞控类性，对地面站发出的心 跳包来说意义不大。如下表所示MAV_WJWPllUr D1Firid N

24、ampMAV=nLlTTDPI LOT GENERICMAV.A UTOPt UOTJHAWHM4V_4i TOPI LOT_SUJ5SMAV_A U TOPii LOT_RDUP i LOT MEG AMiAV_AljrOPl UOTOPCMIPILOTMAV AUTCPUOr GEMERICWAVPOINr5_OrJLYMAV_AIJTOPI LaT_t5tNERIC_WWfPChN D_S I MP LE_P4AV1 G ATI O hl_ONDTMAV AUTUPlLiJl GtNizKlC MlSID101112NJFiULLMAV_AuTQPt UOT_|NVA J D MAV_4

25、L rCPILOT PP7 MAV_AUTOPilOT_UDB MiAV_AUrCPlLOT_FP MAV AUlUPlLDr PX4e?.riptionPIKHAVX 飞拎SIUGS飞控AP忡飞控OPENPiit,orn&ii：通闻g只H尊航点亍通用飞控，和简单的导融荷 令无蕊飞碎 Papflnjri 飞控 UAV Dev Hoard FlaiPxiut 耐飞行器第三个参数是基本模式（base mode）,是指飞控现在处在哪个基本模式， 对于发心跳包的地面站来说没有意义，对于发送心跳包的飞控来说是有意义 的。这个参数要看各个飞控自己的定义方式，模式标记位MAV_MODE_FL所G示：CMP

26、ID nE4IMKri32iMAVjMOM.flAG.SAF rnf_ARM E f) MAV_MO)C_n AG_kAh UAL_I NPUT jNAeiEDMAV Morx FUCl HHL MARI fD刪坏右贱锁R屈除.ffi冇g卿.艇机jm他动柞蹄tfi断但I*； 嗣件社于育全可teft狀杏leMAV MOM flAG SIABILIZC FiNABLEOMAY MOOT FlAG GLIDFD ENABLED局阳症畫电砂為任越.在此状再下.-wav?需g并歸作捋芋主目主航行模式烧脈索域自行决定g的地.茄一顷导肮匿hr 可 UiSS討0或1状,苔”猛取决于頁体的应电IMAV l70M

27、=flAG AUTOJNABIFDWAV MOCK RAG TFT_FNAE!J FDMAV_MOM._HAb_t. US1 OM_MOi_LNAEiLt D宇目王航行核式恃骼.毎统自行決定冃的地，m氐寻航概旷 可I设ft為0戒1咬奇.说取决干耳体的即用，aijK按式咤利鬲识崗拘厕旳索境SICtN用，不直用于同厨肮 行的应用中.第四个参数是用户模式（custom mode），在Pixhawk的用户模式中以多轴 为例，它分为主模式（main mode）和子模式（sub mode），两种模式组合在一 起成为最终的模式，主模式分为 3种，手动（manual），辅助（assist ），自动 （auto）。手动模式类似apm的姿态模式。在辅助模式中，又分为高度控制模式 （altctl ）和位置控制模式（Poscti ）两个子模式，高度控制模式就类似 apm 的定高模式，油门对应到飞行器高度控制上。位置模式控制飞行器相对地面的 速度，油门和高度控制模式一样，yaw轴控制和手动模式一样。自动模式里又 分为3个子模式，任务模式（mission ），留待模式（loiter ），返航模式（return ），任务模式就是执行设定好的航