基于Arduino的四旋翼無人機在災區偵查中的應用

空軍航空大學飛行基礎訓練基地 李 帥 鐘展宏 許佳男

基于Arduino的四旋翼無人機在災區偵查中的應用

空軍航空大學飛行基礎訓練基地 李 帥 鐘展宏 許佳男

無人機通過GY-86傳感器獲取飛行姿態，利用ATMEGA2560單片機作為控制芯片單片機輸出方波通過電子調速器來控制電機轉速，實現自平穩智能飛行。遙控器接收機將遙控器指令傳遞給單片機。飛行器低空定高由MS5611高精度氣壓計完成，高空定點由GPS模塊。實時圖像傳輸采用5．8GHZ圖傳系統實現，該頻段與遙控器的2．4GHZ不會發生干擾。飛行數據用0SD視頻疊加系統將飛行數據與監視畫面通過5．8G圖傳系統一并回傳，可以在遠端監視器查看，避免人員直接偵察。飛行器平臺采用高硬度鋁合金方管，減輕了重量，增加了續航時間。

智能飛行；MS5611；5．8G圖傳系統；長續航

1 緒論：研究意義

無人駕駛飛機簡稱“無人機”,是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。機上無駕駛艙,但安裝有自動駕駛儀、程序自動控制裝置等設備。操控人員通過測控設備對其進行定位、遙控、遙測和數據傳輸。與有人駕駛飛機相比,無人機體現出許多優點。首先,研究制造成本低廉,效費比高。其次,由于無需考慮人的因素,因此可以采用更先進的氣動布局和結構設計,大大放寬了設計自由度。第三,可以到達人類難以接近的危險區域執行任務。經過幾十年時間的發展研究,無人機己經在軍事、偵察、攝影、遙測、通信等領域得到了廣泛應用,國內外也進行了大量的相關研究。

2 系統介紹

2.1 系統組成

該無人機系統主要由七大部分組成：動力部分、控制部分、姿態感知、GPS位置、信息,圖傳系統、監控部分以及地面站調試系統。

2.2 基本原理

傳感器將飛行器姿態回傳給單片機,單片機根據實時姿態、遙控器接收機輸入值和相應算法計算出動力部分各個電機的轉速值,輸出給電子調速器控制電機轉速,控制飛行器姿態。GPS將衛星數量、經緯度、海拔高度等數據實時發給控制器,而在飛行器起飛時單片機己經記錄下當時的GPS信息,如果遙控器輸入命令返航或定點,單片機就會將實時數據與己記錄的數據比較,從而做出相應的動作(返航或定點)。

2.3 系統功能

·低空定高：當遙控器相應的段位開關處于定高模式時,飛行器通過GY-86傳感器上的MS5611高精度氣壓計計算出高度值并記錄,且不斷通過實時高度與記錄值比較發出相應命令控制電機轉速。

·高空GPS定點：在高空無高大建筑物遮擋,GPS信號質量較高可以實現高空定點,當遙控器相應的段位開關處于定點模式時,與定高模式相似,飛行器通過GPS獲得的數據計算出經緯度以及海拔高度,且不斷通過實時的三維數據與記錄值相比較發出相應命令控制電機轉速。

·視頻實時回傳以及飛行數據顯示：通過5.8G圖傳系統將飛行器上搭載的監視設備畫面實時傳回地面監視器,并且通過OSD視頻疊加系統將飛行數據實時反映在監視器畫面上。(如圖2.3所示)

圖2.3 OSD視頻疊加

·長續航：通過采用鋁合金機身,高能量密度的鋰動力電池,升效高的機槳搭配,最大限度的延長了續航時間,實測可達20分鐘左右。

·夜間巡邏：在機身上加裝高亮度LED頻閃燈(閃頻可調)既能防止敵方飛行器冒充,也能及時反映出飛行器實時位置。

3 硬件設計（如圖3.1所示）

3.1 arduino2560介紹

Arduino MeGa2560是采用USB接口的核心電路板,具有54路數字輸入輸出,適合需要大量IO接口的設計。處理器核心是ATmeGa2560,同時具有54路數字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出),16路模擬輸入,4路UART接口,一個16MHz晶體振蕩器,一個USB口,一個電源 插座,一個ICSP header和一個復位按鈕。

圖3.1 系統流程圖

3.2 GY-86 10DOF傳感器介紹

GY-86傳感器是由MPU6050姿態傳感器、HMC5883電子羅盤、MS5611高精度氣壓計構成的10DOF傳感器。

HMC5883L：霍尼韋爾HMC5883L是帶有數字接口的弱磁傳感器芯片,應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L包括最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器,并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1°～2°的12位模數轉換器.簡易的I 2C系列總線接口。

MPU6050：MPU-6000(6050)整合了3軸陀螺儀、3軸加速器,并含可藉由第二個I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數位運動處理(DMP: DiGital Motion Processor)硬件加速引擎,由主要I2C端口以單一數據流的形式,向應用端輸出完整的9軸融合演算技術InvenSense的運動處理資料庫,可處理運動感測的復雜數據,降低了運動處理運算對操作系統的負荷,并為應用開發提供架構化的API。

MS5611：MS5611氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器,分辨率可達到10cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位Σ模數轉換器(工廠校準系數)。MS5611提供了一個精確的24位數字壓力值和溫度值以及不同的操作模式,可以提高轉換速度并優化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實現高度計/溫度計功能。可以與幾乎任何微控制器連接。通信協議簡單,無需在設備內部寄存器編程。

3.3 動力系統介紹

3．3．1 朗宇X2212無刷電機

KV值：KV980

重量：56G

外徑：27.5mm

長度：30mm

槳座輸出軸徑：5mm

3．3．2 天行者20A電子調速器

SkyWalker(天行者)系列空模無刷電調為好盈公司原裝正品,價格非常低廉,適用于無刷動力系統的普及和RTF應用。

3.4 監視攝像頭介紹

SONY 700線

外殼尺寸大小：30mm*30mm(28電路板)

重量：38克(金屬外殼)

像素：PAL：752(H)*582(V) NTSC：768(H)*494(V)

信號制式：PAL/NTSC(默認PAL制式,可選擇NTSC制的)

分辨率(水平中心)：700TVL

3.5 OSD視頻疊加系統介紹

OSD模塊大小：47*26*8毫米

模塊重量：20克

工作電壓：7～16.8V (支持3S 4S電池)

工作電流：小于100毫安(12V)

視頻輸出：NTSC或PAL

3.6 5.8G圖傳系統

3．6．1 圖傳系統發射端

射頻率：5.6-5.9Ghz

電壓輸入：7-24V

發射功率：200mw

工作電流：190mA /12V

工作溫度：-10-+85℃

視頻帶寬：8M

音頻編碼：6.5M

產品凈重：7.3G 不含天線

外形尺寸：30x20x8mm

3．6．2 圖傳系統接收端

射頻率：5.6-5.9Ghz

電壓輸入：12+-5%V

接收功率：100mw

工作電流：190mA /12V

工作溫度：-10-+85℃

視頻帶寬：8M

頻道數：8

音頻編碼：6.5M

3.7 視頻采集

視頻采集模塊可以采集四路視頻信號和一路音頻信號,并可以連接至電腦,通過軟件顯示圖像信息。

3.8 GPS模塊

Ublox 6M GPS模塊具有功耗低,精度高,多種數據接口等優點,可以滿足飛行器的定位需求

3.9 電池

該飛行器的電能由航模專用電池提供,航模電池具有容量大,能量密度高,進而質量輕的特點,而且放電電流大,可供大功率無刷電機使用。

3.10 遙控器

為保證系統的可靠性,遙控器選用成品遙控富斯T6,六通道航模遙控器,除了滿足飛行器姿態控制的四個通道外,富于的兩個通道可以用來隨時更改飛行模式。

3.11 硬件連接

硬件連接方法參照圖3.1給出的流程圖。

1)GY-86傳感器采用I2C總線連接方式連接到arduino2560上,即采用SCL和SDA雙線連接。

2)電子調速器是將直流轉換為高頻交流電與無刷電機的連接采用三線連接,而電機的轉動方向可以通過交換任意兩根線來完成。電子調速器的輸入端采用周期為20ms的方波來控制,接在arduino2560普通的IO口上。

3)攝像頭是用12V供電的,可以直接接在動力電池上不需要外加電源。信號線接在OSD視頻信號輸入端上。

4)OSD是12V和5V雙供電的,為了簡便我們將他接在動力電池上,TX和RX端分別接在arduino2560的RX和TX進行數據交流。視頻信號輸入端接入攝像頭信號線,輸出端接在圖傳系統發射端上。

5)圖傳系統發射端采用12V供電接在動力電池上,信號線接入OSD視頻信號輸出端。

6)圖傳系統接收端采用12V供電,我們不需要音頻,故音頻信號不接,只接視頻信號,通過雙蓮花頭線傳給視頻采集模塊,亦或傳給監視器。

7)視頻采集模塊輸入端接圖傳系統輸出的蓮花頭,輸出通過USB直接在電腦上,使用專用軟件進行監視。

圖3.2 最終完成品

4 系統特色

4.1 機架

在設計飛行器機架時我們拋棄了市面上成品機架,又重又脆,不利于續航時間的延長,經過一段時間的研究論證我們最終采用鋁合金方管作為飛行器主體機臂,采用鋁合金角鋁作為飛行器腳架各連接處全部采用Φ3的組合螺絲進行連接,對于電機底部及機架中心處容易由震動一起脫落處我們增加了彈簧墊圈。

參數：對角線電機軸距460mm

鋁合金方管尺寸：15*10*1.0

鋁合金角鋁尺寸：15*15*1.0

腳架高度：20CM

機架總質量：210G

圖4.1 機架整體效果圖

4.2 飛控部分

摒棄市面上的成品飛控,價格昂貴而且失控現象時有發生,采用所掌握的知識獨立搭建飛控平臺,極大地減少了飛行風險,減少墜毀、失控的可能性。由于外場在線調試很不方便,加裝了藍牙模塊,利用手機地面站進行調試監控。 另外,還加裝了GPS模塊,不僅可以在監視器實時監測到GPS信息也能在發生意外時第一時間找到飛行器。遙控器采用六通道遙控器可以進行多種模式飛行。同時加裝了高亮LED燈珠,可以在起飛前直觀反映出飛行器是否準備好。

4.3 5.8G圖傳系統

航模遙控器多為2.4GHZ的頻率,而市面上大多數基于WIFI和藍牙等的無線圖像傳輸設備也為2.4GHZ,會和遙控器發生嚴重干擾,影響飛行安全和監視畫面質量,故我們采用5.8GHZ圖像傳輸系統,有效的避免了頻率間的相互干擾。

5 技術攻關

5.1 動力方面

設計之初,方案采用的是新西達電機2212KV1000, 8045規格的螺旋槳,機架采用成品的塑料機架,但最終失敗,原因有兩方面,一是新西達電機的動平衡很不好,在每分鐘上萬轉的速度下震動很大,直接導致GY-86姿態傳感器數據噪聲很大;二是塑料機架很重很脆,幾次起落下來己經支離破碎,而且螺旋槳尺寸較小不能提供足夠升力。經過長時間的論證,嘗試選用不銹鋼做機架,但由于不銹鋼較軟在上螺絲時很容易變形,所以該方案也被放棄。經過前兩次的實驗,我們開始探索另一種替代品,最終采用鋁合金方管,經過嚴格地計算、劃線,確定了機架形狀尺寸,再經過鉆孔,上螺絲等過程,制作出成品機架(如圖 4.1)。動力換用動平衡較好的朗宇X2212系列的電機KV980,螺旋槳仍舊采用1045.經過簡單的調試后,飛行器穩穩的起飛了。

5.2 飛控部分

飛控部分主要克服了硬件連接問題,設計之處由于對I2C總線的學習不夠深入,在程序寫入單片機后并沒有準確獲得飛行器姿態。對于姿態數據低通濾波在設計之處也考慮的不夠完善,飛行器會因為震動噪聲時常墜毀。

5.3 圖傳系統

起初采用的是基于WIFI的無線攝像頭,但在具體測試時發現只要遙控器一打開開關監視器的圖像就滿是雪花,為此我們更換過電池、鏡頭等但都無濟于事,在查閱相關資料后才知道由于WIFI頻率和遙控器頻率都是2.4GHZ兩者互相干擾,由于遠距離圖像傳輸對單片機的要求較高,選用了市面上較為成熟且價格低廉的5.8G無線圖像傳輸系統,該系統只需要對照頻率表通過撥碼開關將發射端和接收端置于相同頻率即可,但該系統仍有缺點,就是同一時間下只能一個頻段工作,對于飛行密度大的場合不太試用,在以后的研究中進行改造。

6 發展展望以及待改進方面

6.1 動力部分

由于機架的尺寸限制了螺旋槳和電機的尺寸,進而影響了載重和續航時間,下一步計劃設計出對角軸距大于550mm的機架以及更為科學的腳架布局及安裝方式,這樣就可以使用12英寸以上的螺旋槳和轉速更低、扭矩更大無刷電機,這會更為省電、效率更高,從而為以后更大載重、更長續航時間打下基礎。

對于螺旋槳數量上,計劃采用6軸或者8軸,這樣不僅可以增大載重量也可以在某一動力分支不能正常工作時,平穩降落減少損失。

6.2 飛控部分

目前采用6M級別的GPS定位,精度誤差在5-10米,對于高空GPS定點以及待開發的基于GPS的返航功能有很大影響。所以下步計劃采用基于北斗、格洛納斯、GPS融合定位的M8N定位系統,該系統理論精度在厘米級別,而且在衛星數量大于6顆時,可以自動記錄起飛位置,并在GPS返航模式下返回起飛地周圍1m左右的范圍。

同樣為了減少失控的幾率減少損失,計劃參照雙子星商品飛控的做法,使用兩塊乃至多塊控制器,極大的減小了失控的可能性。

6.3 監控部分

目前我們飛行器采用的無線圖傳系統采用的是開放式數據傳輸,即工作在同一頻段的設備能相互間共享數據,但這對于偵察的應用卻是很不利的,容易被攔截,所以下步計劃自行研發圖像數據的無線傳輸方式,采用加密發送、接收解密、點對點的傳輸方式,這樣一方面可以增加同一區域的工作設備密度,也可以提高數據質量減少噪聲,更重要的是能夠大大降低被攔截率,極大地提高了數據的安全性。

本文指導教師：焦陽，高玲，何思銘。