朱志鴻,鄭姚生

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

基于BASYS3的新型四軸飛行器通訊及控制裝置*

朱志鴻,鄭姚生*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

商業(yè)化四軸飛行器上的遙控器功能單一,沒(méi)有DIY 的能力,無(wú)法自行編寫(xiě)代碼,不利于飛控新功能的開(kāi)發(fā)。自制遙控器利用BASYS3作為主控芯片,采用433模塊進(jìn)行無(wú)線通訊,與飛控板進(jìn)行有效信息交互;實(shí)現(xiàn)了除商用搖桿控制功能以外,還具備語(yǔ)音控制四軸飛行器的功能。與此同時(shí),遙控器還可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)與定高、定點(diǎn)、航拍等相結(jié)合的功能,實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的全面穩(wěn)定控制,為四軸飛行器后期的開(kāi)發(fā)利用提供了進(jìn)一步的參考。

電子與通信技術(shù);自制遙控;BASYS3;語(yǔ)音;多種功能結(jié)合;穩(wěn)定控制

四軸飛行器是一種常見(jiàn)的空中機(jī)器人,由于其高度靈活性,在民用和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。目前大眾使用的基本為商品飛控,例如APM、MWC等,它們的優(yōu)點(diǎn)在于集成度很高,出現(xiàn)失控情況的概率極低。與此同時(shí),配套商品飛控的也是一些成品遙控,如天地飛、樂(lè)迪等;它們的通訊方式為2.4G,可以實(shí)現(xiàn)起飛、調(diào)整油門(mén)和前后左右4個(gè)方向的飛行等基本功能[1]。商品控的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定、傳輸性能強(qiáng)、不容易丟包;缺點(diǎn)是沒(méi)有DIY的能力,無(wú)法自己編寫(xiě)代碼,配合飛控實(shí)現(xiàn)新的功能。

針對(duì)如何自行設(shè)計(jì)飛行器及通訊控制裝置,本文提出采用stm32作為飛控,調(diào)整姿態(tài);以BASYS3作為自制遙控器主控,擴(kuò)展遙感,通過(guò)433無(wú)線模塊接受、發(fā)送數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線圖傳接受圖像信號(hào)并處理的方案。綜合了商用遙控和自己的思考,有效地實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制和遙控飛行等功能。

1 四軸飛行器的控制方式

1.1 基本飛行原理

四軸飛行器屬于垂直起降旋翼飛行器類型[2],旋翼數(shù)量為4,基本組成結(jié)構(gòu)為4個(gè)電調(diào)和電機(jī)。四軸飛行器常根據(jù)MPU6050解算姿態(tài),計(jì)算出三軸歐拉角,分別為橫滾角(ROLL),俯仰角(PITCH)和航向角(YAW)[3]。4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同,使飛行器實(shí)現(xiàn)傾斜,當(dāng)4個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的豎直向上的分力和重力相等時(shí),前向分力驅(qū)動(dòng)四軸飛行[4]。一般飛控實(shí)現(xiàn)的最基本飛行動(dòng)作為控制橫滾,俯仰和航向。

1.2 姿態(tài)控制PID調(diào)節(jié)

四軸飛行器共有6個(gè)自由度,兩個(gè)平移自由度(前后、左右方向平移),兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(俯仰、橫滾動(dòng)作),以及Z軸(高度)的懸停和旋轉(zhuǎn)[5]。自行制作遙控器的前提需要把四軸的飛行姿態(tài)調(diào)整穩(wěn)定且便于控制,所以我們需要把歐拉角作為控制量,通過(guò)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)飛行器多自由度飛行,可以簡(jiǎn)化自制遙控。

歐拉角由3部分組成,橫滾角(roll)是飛行器在YZ平面繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角度;俯仰角(pitch)是飛行器在XZ平面繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角度;偏航角(Yaw)是飛行器在XY平面繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角度[6]。所謂的姿態(tài)控制,就是通過(guò)控制四軸飛行器的姿態(tài),可以達(dá)到讓四軸飛行器前后、左右、順時(shí)針、逆時(shí)針飛行的目的。

實(shí)現(xiàn)歐拉角控制,我們需要采用串級(jí)PID控制(單PID不夠穩(wěn)定)[7]。串級(jí)PID是由兩個(gè)串聯(lián)的PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成,其中主調(diào)節(jié)器的控制環(huán)稱為外環(huán),副調(diào)節(jié)器的控制環(huán)稱為內(nèi)環(huán)。外環(huán)的控制周期一般為內(nèi)環(huán)控制周期的兩倍。由于串級(jí)PID 引入了兩個(gè)PID 控制器,能使兩個(gè)控制器都起作用,因此串級(jí)PID 控制器能夠改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性,提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量,對(duì)于進(jìn)入副回路的擾動(dòng)能夠迅速克服。基本流程如圖1所示。

圖1 串級(jí)PID流程

圖2 姿態(tài)解算流程

1.3 中斷周期的確定

每個(gè)PID控制都需要定時(shí)中斷,然而中斷周期的選擇也是需要不斷調(diào)試的。一般四軸飛行器的姿態(tài)解算頻率需要>=500 Hz,這樣基本可以確保姿態(tài)穩(wěn)定(周期為2 ms);然后配合PID定高,周期大概為20 ms的整數(shù)倍,這里可以取40 ms或者60 ms比較合適[8]。

圖2為姿態(tài)解算流程,圖3為一鍵起飛流程。

圖3 一鍵起飛流程

1.4 遙控器控制

四軸可以實(shí)現(xiàn)一鍵飛行,也可以自行起飛,但是自由度的控制是必要的。在電設(shè)中的四軸題目是自主飛行[9],但是它是由黑線(類似智能車(chē)中的賽道)指引,也就是循跡飛行。在正常的高空飛行,遙控器就顯得很有必要;而且四軸飛行的核心是姿態(tài)解算,通過(guò)姿態(tài)解算后我們需要自行遙控。而且DIY遙控器可以把許多功能結(jié)合到一起,也就是說(shuō)遙控器可以控制四軸實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài),不同高度,讀取航拍數(shù)據(jù),返回四軸位置等多種功能。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 系統(tǒng)模塊組成

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),地面站作為信號(hào)發(fā)送端,可接受語(yǔ)音信號(hào)和遙控信號(hào),其中語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)LD3320模塊進(jìn)入BASYS3,遙控信號(hào)通過(guò)XADC采集進(jìn)入BASYS3,通過(guò)無(wú)線傳輸進(jìn)入飛行器部分;飛行器上載有BASYS3與地面站通信,通過(guò)采集信號(hào)計(jì)算得PWM發(fā)送給STM32控制電機(jī),超聲波通過(guò)串口進(jìn)入飛控,從而實(shí)現(xiàn)定高;攝像頭模塊通過(guò)BASYS3驅(qū)動(dòng),然后通過(guò)無(wú)線數(shù)傳,傳輸至地面站再使用顯示屏顯示?；窘M成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件部分

2.2.1 飛行控制板

飛行控制板核心處理芯片為ARM內(nèi)核的STM32F103系列,PCB板是自行制作?；疽隽孙w控所需的引腳,如四路PWM,串口,OLED顯示屏等;而且在板子上還集成了很多的外設(shè),三軸姿態(tài)MPU6050、磁力計(jì)HMC5883、氣壓計(jì)MS5611等;確保飛行器可以以穩(wěn)定姿態(tài)飛行。

圖5為自制飛控PCB。

圖5 飛控PCB版圖

2.2.2 機(jī)載控制板

由機(jī)載BASYS3通過(guò)433模塊[10]接收遙控器數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng)飛控實(shí)現(xiàn)所需姿態(tài);同時(shí)OV7670,獲取航拍圖像,控制舵機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)360°航拍功能。受限于板載內(nèi)存,直接將VGA信號(hào)通過(guò)NRF2401傳回地面控制臺(tái)是不現(xiàn)實(shí)的,選擇將其硬件解碼,轉(zhuǎn)換為AV格式,使用TS832圖傳系統(tǒng)將視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂婆_(tái)的顯示屏上。

2.2.3 地面控制臺(tái)(遙控器)

地面控制臺(tái)主要組成部分是一個(gè)附帶語(yǔ)音接收器的自制搖桿遙控器。該遙控器使用搖桿電位器作為傳感器,BASYS3采集數(shù)據(jù),通過(guò)433模塊和飛行器上的另一塊BASYS3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

圖6 地面控制臺(tái)

圖6為地面控制臺(tái)。

3 自制遙控控制系統(tǒng)

3.1 商品遙控的特點(diǎn)

目前有很多商品遙控,如天地飛、樂(lè)迪等,它們通過(guò)裝在四軸上的接收機(jī)和遙控器內(nèi)的2.4G無(wú)線模塊進(jìn)行通信,通過(guò)接收機(jī)傳送不同的PWM占空比控制飛控板。

商品遙控的特點(diǎn)是穩(wěn)定,基本不會(huì)出現(xiàn)通信協(xié)議的錯(cuò)誤,因?yàn)樗麄兊耐ㄐ艆f(xié)議是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)試的;而且比較安全,一般都帶有教練機(jī)和模擬器功能,很適合新手使用,非常安全且人性化。

然而,它的DIY能力較差;拆開(kāi)幾款商品遙控以后,發(fā)現(xiàn)里面是固定的數(shù)字電路,只有幾種局限的邏輯功能,并沒(méi)有主控的存在,無(wú)法自行編寫(xiě)代碼;因此一般用來(lái)配合成品飛控如APM、MWC等,功能固定,沒(méi)有設(shè)計(jì)的空間。普通的前后左右飛行控制情況可以完美操控,但是如果自行加入定高、定點(diǎn)、語(yǔ)音等功能便無(wú)法結(jié)合控制。

因此,自制遙控就顯得很有必要。我們采用自制遙控就是為了配合我們的自制飛控版,增加多種功能,豐富用戶體驗(yàn)。

3.2 自制遙控的原理

飛行器上的BASYS3主要作用是驅(qū)動(dòng)飛控板。我們?cè)陲w控上采用了串級(jí)PID控制,可以控制四軸的狀態(tài);相當(dāng)于把飛控作為一個(gè)“黑盒子”,我們通過(guò)BASYS3來(lái)控制飛控,從而控制四軸飛行器。這樣做的好處就是,不讓飛控板“分心”去做其他事,比如在定時(shí)中斷里寫(xiě)一個(gè)NRF24L01接受數(shù)據(jù)的代碼,很有可能打亂MPU6050姿態(tài)解算的時(shí)間周期,所以采用這種控制方式會(huì)使時(shí)序結(jié)構(gòu)較為清晰。

地面控制臺(tái)主要組成部分是一個(gè)附帶語(yǔ)音接收器的自制搖桿遙控器,外加一個(gè)攝像頭顯示裝置。該遙控器使用搖桿電位器作為傳感器,通過(guò)BASYS3的XADC通道輸入FPGA中,通過(guò)解碼,運(yùn)算,再經(jīng)由433M無(wú)線模塊發(fā)射給飛行器,語(yǔ)音模塊識(shí)別特定語(yǔ)音,將兩個(gè)通道開(kāi)關(guān)量也通過(guò)433M無(wú)線模塊發(fā)送給飛行器上的BASYS3.由此可以實(shí)現(xiàn)自制遙控和語(yǔ)音控制的功能。

圖7為自制遙控整體流程。

圖7 自制遙控工作流程

采用自制遙控的意義就是為了配合新的功能,在此處我們加入了一鍵起飛、定高、航拍、數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音控制等功能,均和自制遙控緊密連接。首先,遙控器中的BASYS3作為主控芯片,可以控制LD3320語(yǔ)音傳輸模塊[11]和接受GPS所發(fā)信息;實(shí)現(xiàn)普通商品遙控所不具備的控制和通信能力。在此處我們可以驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊定義關(guān)鍵字,每當(dāng)識(shí)別關(guān)鍵字時(shí),即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制功能;單片機(jī)驅(qū)動(dòng)GPS讀取地理位置信號(hào),也可通過(guò)433無(wú)線模塊與遙控器通信,可以實(shí)現(xiàn)讀取地理信息功能。

其次,我們?cè)谧灾骑w控上實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)控制、定高、一鍵起飛功能可由自制遙控器完美控制。串級(jí)PID參數(shù)整定合理以后,我們?cè)谧灾七b控器上輸入目標(biāo)姿態(tài)、高度(此處可結(jié)合語(yǔ)音控制),通過(guò)無(wú)線433模塊傳輸至飛行器上的BASYS3,然后輸出對(duì)應(yīng)的多通道PWM給飛控板,實(shí)現(xiàn)控制姿態(tài)的功能;一鍵起飛在遙控器上制作一個(gè)開(kāi)關(guān)即可(一鍵起飛實(shí)現(xiàn)方法:飛行器解鎖—給定高度飛行)。

最后,由于我們自行驅(qū)動(dòng)OV7670實(shí)現(xiàn)航拍[12],普通的433模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸,我們決定采用TS832大功率無(wú)線圖傳模塊,結(jié)合遙控器進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)證明,傳輸速度良好,航拍功能完美實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,我們可以拓展遙控器的電路模塊,使用BASYS3采集圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖8 四軸飛行器及遙控裝置

3.3 性能測(cè)試

圖8為四軸飛行器及遙控裝置。

經(jīng)過(guò)測(cè)試,自制遙控器在短距離內(nèi)可以完全取代一個(gè)6通遙控器的功能。

主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

4 總結(jié)

自行制作的遙控器基本可以替代商品遙控,實(shí)現(xiàn)控制四軸飛行的功能。自制遙控器在短距離內(nèi)可以完全取代一個(gè)6通遙控器的功能。同時(shí)地面站實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制和實(shí)時(shí)航拍功能,且能在屏幕上實(shí)時(shí)顯示GPS等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由此我們可見(jiàn),自制遙控不僅可以實(shí)現(xiàn)多種功能,而且由于模塊均為自行驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能,可以把飛行器應(yīng)用到數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域,結(jié)合MATLAB軟件可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能。

自制遙控的缺點(diǎn)在于控制距離比商品遙控略短,能是因?yàn)椴捎玫?33模塊功率略小(50 mW),目前準(zhǔn)備采用修復(fù)的方法是使用大功率的433模塊替代(100 mW),或者采取新的串口透?jìng)髂K進(jìn)行無(wú)線通訊。

由此可見(jiàn),自制遙控可以采用BASYS3作為主控,自行擴(kuò)展電路可以實(shí)現(xiàn)較為良好的控制效果,實(shí)現(xiàn)多種功能。

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New Quadrotor Helicopter’s communication and Control Device Based on BASYS3*

ZHUZhihong,ZHENGYaosheng*

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

Traditional remote control has single function,without DIY ability. It can’t write code on its own,which isn’t conductive to the development of the new features of the flight control. The master of the remote control is BASYS3. The flight control exchanges effective information through module 433 with the remote control. In addition to the traditional joystick control,the quadcopter can also be controlled by voice. At the same time,the remote control can make the quadcopter set high,fixed,and take aerial photos steadily.

electronic and communication technology;homemade controller;BASYS3;voice;many functions;steady control

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目

2016-05-12 修改日期:2016-06-28

V212.13

A

1005-9490(2017)03-0692-05

C:6150

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.035