基于Arduino的四旋翼无人机在灾区侦查中的应用

空军航空大学飞行基础训练基地 李 帅 钟展宏 许佳男

基于Arduino的四旋翼无人机在灾区侦查中的应用

空军航空大学飞行基础训练基地 李 帅 钟展宏 许佳男

无人机通过GY-86传感器获取飞行姿态，利用ATMEGA2560单片机作为控制芯片单片机输出方波通过电子调速器来控制电机转速，实现自平稳智能飞行。遥控器接收机将遥控器指令传递给单片机。飞行器低空定高由MS5611高精度气压计完成，高空定点由GPS模块。实时图像传输采用5．8GHZ图传系统实现，该频段与遥控器的2．4GHZ不会发生干扰。飞行数据用0SD视频叠加系统将飞行数据与监视画面通过5．8G图传系统一并回传，可以在远端监视器查看，避免人员直接侦察。飞行器平台采用高硬度铝合金方管，减轻了重量，增加了续航时间。

智能飞行；MS5611；5．8G图传系统；长续航

1 绪论：研究意义

无人驾驶飞机简称“无人机”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱,但安装有自动驾驶仪、程序自动控制装置等设备。操控人员通过测控设备对其进行定位、遥控、遥测和数据传输。与有人驾驶飞机相比,无人机体现出许多优点。首先,研究制造成本低廉,效费比高。其次,由于无需考虑人的因素,因此可以采用更先进的气动布局和结构设计,大大放宽了设计自由度。第三,可以到达人类难以接近的危险区域执行任务。经过几十年时间的发展研究,无人机己经在军事、侦察、摄影、遥测、通信等领域得到了广泛应用,国内外也进行了大量的相关研究。

2 系统介绍

2.1 系统组成

该无人机系统主要由七大部分组成：动力部分、控制部分、姿态感知、GPS位置、信息,图传系统、监控部分以及地面站调试系统。

2.2 基本原理

传感器将飞行器姿态回传给单片机,单片机根据实时姿态、遥控器接收机输入值和相应算法计算出动力部分各个电机的转速值,输出给电子调速器控制电机转速,控制飞行器姿态。GPS将卫星数量、经纬度、海拔高度等数据实时发给控制器,而在飞行器起飞时单片机己经记录下当时的GPS信息,如果遥控器输入命令返航或定点,单片机就会将实时数据与己记录的数据比较,从而做出相应的动作(返航或定点)。

2.3 系统功能

·低空定高：当遥控器相应的段位开关处于定高模式时,飞行器通过GY-86传感器上的MS5611高精度气压计计算出高度值并记录,且不断通过实时高度与记录值比较发出相应命令控制电机转速。

·高空GPS定点：在高空无高大建筑物遮挡,GPS信号质量较高可以实现高空定点,当遥控器相应的段位开关处于定点模式时,与定高模式相似,飞行器通过GPS获得的数据计算出经纬度以及海拔高度,且不断通过实时的三维数据与记录值相比较发出相应命令控制电机转速。

·视频实时回传以及飞行数据显示：通过5.8G图传系统将飞行器上搭载的监视设备画面实时传回地面监视器,并且通过OSD视频叠加系统将飞行数据实时反映在监视器画面上。(如图2.3所示)

图2.3 OSD视频叠加

·长续航：通过采用铝合金机身,高能量密度的锂动力电池,升效高的机桨搭配,最大限度的延长了续航时间,实测可达20分钟左右。

·夜间巡逻：在机身上加装高亮度LED频闪灯(闪频可调)既能防止敌方飞行器冒充,也能及时反映出飞行器实时位置。

3 硬件设计（如图3.1所示）

3.1 arduino2560介绍

Arduino MeGa2560是采用USB接口的核心电路板,具有54路数字输入输出,适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmeGa2560,同时具有54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出),16路模拟输入,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器,一个USB口,一个电源 插座,一个ICSP header和一个复位按钮。

图3.1 系统流程图

3.2 GY-86 10DOF传感器介绍

GY-86传感器是由MPU6050姿态传感器、HMC5883电子罗盘、MS5611高精度气压计构成的10DOF传感器。

HMC5883L：霍尼韦尔HMC5883L是带有数字接口的弱磁传感器芯片,应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器,并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器.简易的I 2C系列总线接口。

MPU6050：MPU-6000(6050)整合了3轴陀螺仪、3轴加速器,并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: DiGital Motion Processor)硬件加速引擎,由主要I2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库,可处理运动感测的复杂数据,降低了运动处理运算对操作系统的负荷,并为应用开发提供架构化的API。

MS5611：MS5611气压传感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C总线接口的新一代高分辨率气压传感器,分辨率可达到10cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位Σ模数转换器(工厂校准系数)。MS5611提供了一个精确的24位数字压力值和温度值以及不同的操作模式,可以提高转换速度并优化电流消耗。高分辨率的温度输出无须额外传感器可实现高度计/温度计功能。可以与几乎任何微控制器连接。通信协议简单,无需在设备内部寄存器编程。

3.3 动力系统介绍

3．3．1 朗宇X2212无刷电机

KV值：KV980

重量：56G

外径：27.5mm

长度：30mm

桨座输出轴径：5mm

3．3．2 天行者20A电子调速器

SkyWalker(天行者)系列空模无刷电调为好盈公司原装正品,价格非常低廉,适用于无刷动力系统的普及和RTF应用。

3.4 监视摄像头介绍

SONY 700线

外壳尺寸大小：30mm*30mm(28电路板)

重量：38克(金属外壳)

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

信号制式：PAL/NTSC(默认PAL制式,可选择NTSC制的)

分辨率(水平中心)：700TVL

3.5 OSD视频叠加系统介绍

OSD模块大小：47*26*8毫米

模块重量：20克

工作电压：7～16.8V (支持3S 4S电池)

工作电流：小于100毫安(12V)

视频输出：NTSC或PAL

3.6 5.8G图传系统

3．6．1 图传系统发射端

射频率：5.6-5.9Ghz

电压输入：7-24V

发射功率：200mw

工作电流：190mA /12V

工作温度：-10-+85℃

视频带宽：8M

音频编码：6.5M

产品净重：7.3G 不含天线

外形尺寸：30x20x8mm

3．6．2 图传系统接收端

射频率：5.6-5.9Ghz

电压输入：12+-5%V

接收功率：100mw

工作电流：190mA /12V

工作温度：-10-+85℃

视频带宽：8M

频道数：8

音频编码：6.5M

3.7 视频采集

视频采集模块可以采集四路视频信号和一路音频信号,并可以连接至电脑,通过软件显示图像信息。

3.8 GPS模块

Ublox 6M GPS模块具有功耗低,精度高,多种数据接口等优点,可以满足飞行器的定位需求

3.9 电池

该飞行器的电能由航模专用电池提供,航模电池具有容量大,能量密度高,进而质量轻的特点,而且放电电流大,可供大功率无刷电机使用。

3.10 遥控器

为保证系统的可靠性,遥控器选用成品遥控富斯T6,六通道航模遥控器,除了满足飞行器姿态控制的四个通道外,富于的两个通道可以用来随时更改飞行模式。

3.11 硬件连接

硬件连接方法参照图3.1给出的流程图。

1)GY-86传感器采用I2C总线连接方式连接到arduino2560上,即采用SCL和SDA双线连接。

2)电子调速器是将直流转换为高频交流电与无刷电机的连接采用三线连接,而电机的转动方向可以通过交换任意两根线来完成。电子调速器的输入端采用周期为20ms的方波来控制,接在arduino2560普通的IO口上。

3)摄像头是用12V供电的,可以直接接在动力电池上不需要外加电源。信号线接在OSD视频信号输入端上。

4)OSD是12V和5V双供电的,为了简便我们将他接在动力电池上,TX和RX端分别接在arduino2560的RX和TX进行数据交流。视频信号输入端接入摄像头信号线,输出端接在图传系统发射端上。

5)图传系统发射端采用12V供电接在动力电池上,信号线接入OSD视频信号输出端。

6)图传系统接收端采用12V供电,我们不需要音频,故音频信号不接,只接视频信号,通过双莲花头线传给视频采集模块,亦或传给监视器。

7)视频采集模块输入端接图传系统输出的莲花头,输出通过USB直接在电脑上,使用专用软件进行监视。

图3.2 最终完成品

4 系统特色

4.1 机架

在设计飞行器机架时我们抛弃了市面上成品机架,又重又脆,不利于续航时间的延长,经过一段时间的研究论证我们最终采用铝合金方管作为飞行器主体机臂,采用铝合金角铝作为飞行器脚架各连接处全部采用Φ3的组合螺丝进行连接,对于电机底部及机架中心处容易由震动一起脱落处我们增加了弹簧垫圈。

参数：对角线电机轴距460mm

铝合金方管尺寸：15*10*1.0

铝合金角铝尺寸：15*15*1.0

脚架高度：20CM

机架总质量：210G

图4.1 机架整体效果图

4.2 飞控部分

摒弃市面上的成品飞控,价格昂贵而且失控现象时有发生,采用所掌握的知识独立搭建飞控平台,极大地减少了飞行风险,减少坠毁、失控的可能性。由于外场在线调试很不方便,加装了蓝牙模块,利用手机地面站进行调试监控。 另外,还加装了GPS模块,不仅可以在监视器实时监测到GPS信息也能在发生意外时第一时间找到飞行器。遥控器采用六通道遥控器可以进行多种模式飞行。同时加装了高亮LED灯珠,可以在起飞前直观反映出飞行器是否准备好。

4.3 5.8G图传系统

航模遥控器多为2.4GHZ的频率,而市面上大多数基于WIFI和蓝牙等的无线图像传输设备也为2.4GHZ,会和遥控器发生严重干扰,影响飞行安全和监视画面质量,故我们采用5.8GHZ图像传输系统,有效的避免了频率间的相互干扰。

5 技术攻关

5.1 动力方面

设计之初,方案采用的是新西达电机2212KV1000, 8045规格的螺旋桨,机架采用成品的塑料机架,但最终失败,原因有两方面,一是新西达电机的动平衡很不好,在每分钟上万转的速度下震动很大,直接导致GY-86姿态传感器数据噪声很大;二是塑料机架很重很脆,几次起落下来己经支离破碎,而且螺旋桨尺寸较小不能提供足够升力。经过长时间的论证,尝试选用不锈钢做机架,但由于不锈钢较软在上螺丝时很容易变形,所以该方案也被放弃。经过前两次的实验,我们开始探索另一种替代品,最终采用铝合金方管,经过严格地计算、划线,确定了机架形状尺寸,再经过钻孔,上螺丝等过程,制作出成品机架(如图 4.1)。动力换用动平衡较好的朗宇X2212系列的电机KV980,螺旋桨仍旧采用1045.经过简单的调试后,飞行器稳稳的起飞了。

5.2 飞控部分

飞控部分主要克服了硬件连接问题,设计之处由于对I2C总线的学习不够深入,在程序写入单片机后并没有准确获得飞行器姿态。对于姿态数据低通滤波在设计之处也考虑的不够完善,飞行器会因为震动噪声时常坠毁。

5.3 图传系统

起初采用的是基于WIFI的无线摄像头,但在具体测试时发现只要遥控器一打开开关监视器的图像就满是雪花,为此我们更换过电池、镜头等但都无济于事,在查阅相关资料后才知道由于WIFI频率和遥控器频率都是2.4GHZ两者互相干扰,由于远距离图像传输对单片机的要求较高,选用了市面上较为成熟且价格低廉的5.8G无线图像传输系统,该系统只需要对照频率表通过拨码开关将发射端和接收端置于相同频率即可,但该系统仍有缺点,就是同一时间下只能一个频段工作,对于飞行密度大的场合不太试用,在以后的研究中进行改造。

6 发展展望以及待改进方面

6.1 动力部分

由于机架的尺寸限制了螺旋桨和电机的尺寸,进而影响了载重和续航时间,下一步计划设计出对角轴距大于550mm的机架以及更为科学的脚架布局及安装方式,这样就可以使用12英寸以上的螺旋桨和转速更低、扭矩更大无刷电机,这会更为省电、效率更高,从而为以后更大载重、更长续航时间打下基础。

对于螺旋桨数量上,计划采用6轴或者8轴,这样不仅可以增大载重量也可以在某一动力分支不能正常工作时,平稳降落减少损失。

6.2 飞控部分

目前采用6M级别的GPS定位,精度误差在5-10米,对于高空GPS定点以及待开发的基于GPS的返航功能有很大影响。所以下步计划采用基于北斗、格洛纳斯、GPS融合定位的M8N定位系统,该系统理论精度在厘米级别,而且在卫星数量大于6颗时,可以自动记录起飞位置,并在GPS返航模式下返回起飞地周围1m左右的范围。

同样为了减少失控的几率减少损失,计划参照双子星商品飞控的做法,使用两块乃至多块控制器,极大的减小了失控的可能性。

6.3 监控部分

目前我们飞行器采用的无线图传系统采用的是开放式数据传输,即工作在同一频段的设备能相互间共享数据,但这对于侦察的应用却是很不利的,容易被拦截,所以下步计划自行研发图像数据的无线传输方式,采用加密发送、接收解密、点对点的传输方式,这样一方面可以增加同一区域的工作设备密度,也可以提高数据质量减少噪声,更重要的是能够大大降低被拦截率,极大地提高了数据的安全性。

本文指导教师：焦阳，高玲，何思铭。