ATmega2560無人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計 - 無人機(jī)系統(tǒng)MUC技術(shù)方案集錦TOP6

　　TOP3 ATmega2560無人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計方案

　　電源欠壓保護(hù)

　　電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時， 此時電池電量即將用完， 應(yīng)及時給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設(shè)計的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險電壓7V 時， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　圖5 欠壓保護(hù)電路

　　由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險；反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

　　本文設(shè)計了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動控制充放電管理， 實時監(jiān)測電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試和試驗驗證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗以保證無人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價格也相對適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會節(jié)省大量的資源和財富。

　　解讀ATmega2560無人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計方案

　　隨著無人機(jī)正在成為新的經(jīng)濟(jì)增長點和國民收入水平的提高，近年來在高校和民間都得到了更多的關(guān)注。無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱，是利用無線電遙控（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)。目前用無線電遙控的無人機(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)點是手感好，方便攜帶，但是價格高昂，通道數(shù)較少，難以滿足無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時需要較多通道數(shù)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到外場調(diào)試，還必須考慮電池續(xù)航問題，造價也比較高昂，且需要專業(yè)的計算機(jī)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Arduino的無人機(jī)控制器設(shè)計方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺.Arduino具有類似java、C語言的開發(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)計出各種實用的電路開發(fā)系統(tǒng)，是一款價格低廉、易于開發(fā)做應(yīng)用的電子平臺。Arduino包括硬件和軟件在內(nèi)的整個平臺是完全開源的。該方案由于采用Arduino平臺，能快速開發(fā)出用較低成本的飛行搖桿來進(jìn)行操縱航模，體驗真實飛行的感覺。由于接口較多，可以實現(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

　　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通道的即時電壓，通過模式轉(zhuǎn)換后，得到各個通道的值。將上述值經(jīng)過編碼后通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送出去。

　　空中指令執(zhí)行部分：

　　由空中無線數(shù)傳接收到信號后將指令發(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，該P(yáng)PM信號可以直接驅(qū)動飛控系統(tǒng)做出響應(yīng)動作，從而控制無人機(jī)。

　　模塊原理、設(shè)計與制作

　　1.搖桿信號獲取原理

　　要得到飛行搖桿當(dāng)前的桿量，一個方法是通過搖桿的usb接口讀取，由于各個廠家的通訊協(xié)議都不兼容，有些還必須獲得授權(quán)，實現(xiàn)起來比較麻煩。另一個方法是直接獲取搖桿的電位器值。實際上現(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，按照可變電阻來讀取即可。本模塊采用市場上常見的賽鈦客FLY5飛行搖桿，拆開來外殼，所有電位器都是用3P的白色連接插座和電路板連接的，XYZ三軸用來控制飛機(jī)姿態(tài)（升降、副翼和方向），油門由拉桿控制，苦力帽可以用來控制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 開發(fā)板。該開發(fā)板是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(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。實際測試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數(shù)據(jù)會有一些波動和噪點，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，可以獲得平滑的曲線。

　　3.無線收發(fā)模塊

　　無線數(shù)傳模塊采用了一對X b e e P R O900HP無線收發(fā)模塊，該模塊功率為250mW.它們分別用來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，數(shù)傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗，防止數(shù)據(jù)丟包和被干擾篡改。

　　本文提供的解決方案，成本較低，開發(fā)方便，易于實現(xiàn)。不足之處是單向傳輸雖然延時低，但是無法實時返回飛行器的各種數(shù)據(jù)。為解決該問題，只能使用2對無線模塊，或采用MIMO天線能實現(xiàn)全雙工的無線模塊，才能解決。后期將會繼續(xù)研究，以實現(xiàn)低成本的雙向傳輸，并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)返回的OSD和低延時控制。