重慶郵電大學通信與信息工程學院 朱 芹

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 屈 剛

1.引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，遙控飛機不僅成為玩具市場中的主導地位，在軍事和民用上的應(yīng)用也越來越廣泛。軍事上，可作為指戰(zhàn)員的“千里眼，順風耳”；民用上，可作為電信，環(huán)保，公安等部門的有力助手。因此將計算機的多功能與玩具模型相結(jié)合的創(chuàng)作構(gòu)想是前所未有的，通過計算機對其進行操作，利用計算機豐富的資源，使飛機航模的操作更加具有挑戰(zhàn)性，同時也具有一個廣闊的開拓空間。

2.總體設(shè)計

本文以HOLTEK 46系列MCU為主控單片機，配合RF模塊CC1100以及其它外圍器件（三軸陀螺儀，三軸加速度傳感器，自動導航模塊），通過上位機無線遙控航模飛機的接收控制電路。通過相關(guān)控制，能接收無線遙控發(fā)射機的控制指令，使航模飛機既能通過上位機手工控制不同的速度前進，升降，轉(zhuǎn)彎，拍照，攝像等操作，同時可以通過飛機傳回的數(shù)據(jù)有效的在模擬3D界面中顯示以便進行更好的操作。

3.工作原理

3.1 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由兩個系統(tǒng)構(gòu)成：地面控制系統(tǒng)、空中執(zhí)行系統(tǒng)。通過地面控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令給空中執(zhí)行系統(tǒng)來控制航模在空中的飛行姿態(tài)，同時空中執(zhí)行系統(tǒng)將飛行姿態(tài)實時的反饋給地面控制系統(tǒng)。

地面控制系統(tǒng)通過USB與上位機通信，上位機發(fā)送相應(yīng)編碼給單片機。單片機通過解碼后得出相關(guān)操作命令，再進行二次編碼。地面控制系統(tǒng)將編碼通過無線模塊發(fā)送給空中執(zhí)行系統(tǒng)?？罩袌?zhí)行系統(tǒng)的接收模塊接收地面控制系統(tǒng)的編碼，空中執(zhí)行系統(tǒng)的MCU對接收模塊接收的編碼進行解碼，根據(jù)解碼所得命令對飛機的動力及控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的操作，同時將飛機的實時姿態(tài)進行編碼，并將編碼通過無線模塊傳送給地面控制系統(tǒng)，地面的控制系統(tǒng)通過解碼就可以在上位機的屏幕上顯示飛機的飛行姿態(tài)。使用全雙工的通信方式使得地面控制系統(tǒng)可以實時的監(jiān)控飛機的飛行姿態(tài)，通過觀察上位機屏幕上飛機的飛行姿態(tài)就可以對飛機進行精準的遙控。

為了使上位機能夠更加穩(wěn)定而精確的無線遙控航模飛機，本系統(tǒng)選擇了合理的RF模塊以及一套完整的的編碼協(xié)議，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 地面控制系統(tǒng)的無線模塊

地面控制系統(tǒng)的主控芯片是HOLTEK MCU，通過串口方式與上位機通信。不同的操作命令通過串行通信發(fā)送給MCU，MCU對接收的指令進行相應(yīng)的編碼并將編碼發(fā)送給無線模塊，最終無線模塊將編碼以高頻電磁波的形式發(fā)送給控制執(zhí)行系統(tǒng)的無線模塊。

地面控制系統(tǒng)的無線模塊采用改進后的CC1100模塊以及相應(yīng)的PCB電路。工作在全雙工模式下，使其誤碼率保持在1%以下。關(guān)于CC1100模塊，在無線全雙工通信模式下，理論傳輸距離為500米，通過改進之后可使其通信距離達到2000米。針對數(shù)據(jù)量傳輸問題，CC1100具備FIFO型收發(fā)緩存器，理論上可以存儲64字節(jié)的數(shù)據(jù)量。其主要過程為：上位機發(fā)送指令→單片機解析上位機的指令→單片機編碼發(fā)送給發(fā)射機發(fā)射→調(diào)制→發(fā)射機發(fā)射編碼。

3.3 空中執(zhí)行系統(tǒng)的無線模塊

空中執(zhí)行系統(tǒng)的無線模塊將接收到的編碼送給MCU，校驗成功后，解碼。然后根據(jù)所得的指令來控制各IO口產(chǎn)生相應(yīng)的波形，來控制航模飛機的動力及控制部件?？刂齐娐沸枰獙﹄姍C，舵機，電調(diào)進行控制，編碼和解碼統(tǒng)一由HOLTEK 46系列主控單片機來完成。其流程為：接收機解調(diào)編碼→接收機將解調(diào)編碼串行發(fā)送至單片機→單片機讀取校驗位→單片機解碼并行輸出相應(yīng)控制信號→各執(zhí)行結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)功能。

3.4 操作平臺

上位機作為終端控制平臺，采用VB編寫的串口通信軟件。同時使用VB高級語言設(shè)計所創(chuàng)建的3D平面，空中無線模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給控制平臺上，通過3D平面上顯示飛機飛行的實時姿態(tài)，達實時監(jiān)控飛機飛行的目的，PC操作界面見圖2。

圖2 PC操作界面

圖3 PWM波整形電路

圖4 地面無線發(fā)射

圖5 空中無線接收

采用上位機作為操作平臺，可以實現(xiàn)更多的功能。不僅可以使操作更加靈活方便，還可以實現(xiàn)對無人機的多樣化操作并通過上位機的屏幕觀測飛機的飛行姿態(tài)。本文的無線模塊采用的是443MHz的電磁波進行通信的，由此可以創(chuàng)建一個操作平臺—具有一定標準協(xié)議，包含通信協(xié)議，指令代碼操作協(xié)議的平臺。使得多個人可同時控制飛機飛行，如飛機的正副駕駛員都可以對飛機的飛行進行控制。

4.作品設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 系統(tǒng)描述

1）發(fā)射機：電源模塊、無線通信模塊、電機控制模塊、單片機控制模塊。上位機與單片機串口相連，單片機I/O口與無線模塊(RF)導線相連。

2）無人機（接收機）：電源模塊、無線通信模塊、電機控制模塊、單片機控制模塊。

4.1.2 模塊化描述

1）電源模塊：發(fā)射機直接由上位機usb供電，采用LM1117T芯片將usb的5伏電壓轉(zhuǎn)換為3.3伏給cc1100無線模塊供電。單獨由一塊9伏電池經(jīng)LM2940-5穩(wěn)壓成5伏電壓為單片機供電，12伏蓄電池經(jīng)電調(diào)變換為三相交流電驅(qū)動飛機發(fā)動機，電調(diào)的5伏輸出端為舵機供電。

2）無線通信模塊：此模塊采用cc1100無線模塊，將單工通信模式改為全雙工通信模式。

3）電機控制模塊：以電調(diào)為核心，單片機輸出PWM波控制電調(diào)輸出的交流電壓，交流電壓的大小控制飛機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

4）單片機主控電路：單片機的PWM控制信號經(jīng)過TLP521光電隔離器件傳到受控端，受控端通過HEF40106芯片將波形整形成規(guī)則的矩形波控制舵機的轉(zhuǎn)角和電調(diào)輸出電壓，如圖3。

單片機與無線模塊(RF)導線相連，電調(diào)信號線，舵機信號線分別與單片機I/O口相連。11.1V鋰電池給電調(diào)供電，電調(diào)輸出5V穩(wěn)定直流一部分給單片機供電，另一部分轉(zhuǎn)換成3.3V穩(wěn)定直流給接收機供電。

4.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計同樣也分為兩部分：地面無線發(fā)射，空中無線接收，如圖4、圖5。

5.結(jié)束語

本文HOLTEK MCU單片機所設(shè)計的的無人機PC操作平臺，可通過鍵盤，鼠標已經(jīng)串口連接的手柄多種方式控制無人機，同時通過全雙工無線通信，將無人機上所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制平臺上，通過控制平臺所模擬的3D界面進行顯示，使操作者更加形象化的觀測飛機飛行姿態(tài)。該設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，使用全雙工的通信方式實時監(jiān)控無人機的飛行姿態(tài)，采用遠距離無線遙控技術(shù)實現(xiàn)操作者遠距離遙控。該設(shè)計所創(chuàng)建的平臺具有很好的可擴展性，可利用現(xiàn)在發(fā)達的計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程的無線遙控等功能。

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