基于HOLTEK MCU的無(wú)人機(jī)PC操作平臺(tái)

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 朱 芹

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 屈 剛

1.引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，遙控飛機(jī)不僅成為玩具市場(chǎng)中的主導(dǎo)地位，在軍事和民用上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。軍事上，可作為指戰(zhàn)員的“千里眼，順風(fēng)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(jì)算機(jī)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(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行操作，利用計(jì)算機(jī)豐富的資源，使飛機(jī)航模的操作更加具有挑戰(zhàn)性，同時(shí)也具有一個(gè)廣闊的開拓空間。

2.總體設(shè)計(jì)

本文以HOLTEK 46系列MCU為主控單片機(jī)，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(dòng)導(dǎo)航模塊），通過(guò)上位機(jī)無(wú)線遙控航模飛機(jī)的接收控制電路。通過(guò)相關(guān)控制，能接收無(wú)線遙控發(fā)射機(jī)的控制指令，使航模飛機(jī)既能通過(guò)上位機(jī)手工控制不同的速度前進(jìn)，升降，轉(zhuǎn)彎，拍照，攝像等操作，同時(shí)可以通過(guò)飛機(jī)傳回的數(shù)據(jù)有效的在模擬3D界面中顯示以便進(jìn)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(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：地面控制系統(tǒng)、空中執(zhí)行系統(tǒng)。通過(guò)地面控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令給空中執(zhí)行系統(tǒng)來(lái)控制航模在空中的飛行姿態(tài)，同時(shí)空中執(zhí)行系統(tǒng)將飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)的反饋給地面控制系統(tǒng)。

地面控制系統(tǒng)通過(guò)USB與上位機(jī)通信，上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)編碼給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)解碼后得出相關(guān)操作命令，再進(jìn)行二次編碼。地面控制系統(tǒng)將編碼通過(guò)無(wú)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(duì)接收模塊接收的編碼進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼所得命令對(duì)飛機(jī)的動(dòng)力及控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)將飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行編碼，并將編碼通過(guò)無(wú)線模塊傳送給地面控制系統(tǒng)，地面的控制系統(tǒng)通過(guò)解碼就可以在上位機(jī)的屏幕上顯示飛機(jī)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(shí)時(shí)的監(jiān)控飛機(jī)的飛行姿態(tài)，通過(guò)觀察上位機(jī)屏幕上飛機(jī)的飛行姿態(tài)就可以對(duì)飛機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的遙控。

為了使上位機(jī)能夠更加穩(wěn)定而精確的無(wú)線遙控航模飛機(jī)，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(wú)線模塊

地面控制系統(tǒng)的主控芯片是HOLTEK MCU，通過(guò)串口方式與上位機(jī)通信。不同的操作命令通過(guò)串行通信發(fā)送給MCU，MCU對(duì)接收的指令進(jìn)行相應(yīng)的編碼并將編碼發(fā)送給無(wú)線模塊，最終無(wú)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(wú)線模塊。

地面控制系統(tǒng)的無(wú)線模塊采用改進(jìn)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(wú)線全雙工通信模式下，理論傳輸距離為500米，通過(guò)改進(jìn)之后可使其通信距離達(dá)到2000米。針對(duì)數(shù)據(jù)量傳輸問(wèn)題，CC1100具備FIFO型收發(fā)緩存器，理論上可以存儲(chǔ)64字節(jié)的數(shù)據(jù)量。其主要過(guò)程為：上位機(jī)發(fā)送指令→單片機(jī)解析上位機(jī)的指令→單片機(jī)編碼發(fā)送給發(fā)射機(jī)發(fā)射→調(diào)制→發(fā)射機(jī)發(fā)射編碼。

3.3 空中執(zhí)行系統(tǒng)的無(wú)線模塊

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

3.4 操作平臺(tái)

上位機(jī)作為終端控制平臺(tái)，采用VB編寫的串口通信軟件。同時(shí)使用VB高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)所創(chuàng)建的3D平面，空中無(wú)線模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給控制平臺(tái)上，通過(guò)3D平面上顯示飛機(jī)飛行的實(shí)時(shí)姿態(tài)，達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)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(wú)線發(fā)射

圖5 空中無(wú)線接收

采用上位機(jī)作為操作平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。不僅可以使操作更加靈活方便，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的多樣化操作并通過(guò)上位機(jī)的屏幕觀測(cè)飛機(jī)的飛行姿態(tài)。本文的無(wú)線模塊采用的是443MHz的電磁波進(jìn)行通信的，由此可以創(chuàng)建一個(gè)操作平臺(tái)—具有一定標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，包含通信協(xié)議，指令代碼操作協(xié)議的平臺(tái)。使得多個(gè)人可同時(shí)控制飛機(jī)飛行，如飛機(jī)的正副駕駛員都可以對(duì)飛機(jī)的飛行進(jìn)行控制。

4.作品設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)描述

1）發(fā)射機(jī)：電源模塊、無(wú)線通信模塊、電機(jī)控制模塊、單片機(jī)控制模塊。上位機(jī)與單片機(jī)串口相連，單片機(jī)I/O口與無(wú)線模塊(RF)導(dǎo)線相連。

2）無(wú)人機(jī)（接收機(jī)）：電源模塊、無(wú)線通信模塊、電機(jī)控制模塊、單片機(jī)控制模塊。

4.1.2 模塊化描述

1）電源模塊：發(fā)射機(jī)直接由上位機(jī)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(wú)線模塊供電。單獨(dú)由一塊9伏電池經(jīng)LM2940-5穩(wěn)壓成5伏電壓為單片機(jī)供電，12伏蓄電池經(jīng)電調(diào)變換為三相交流電驅(qū)動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，電調(diào)的5伏輸出端為舵機(jī)供電。

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

3）電機(jī)控制模塊：以電調(diào)為核心，單片機(jī)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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

單片機(jī)與無(wú)線模塊(RF)導(dǎo)線相連，電調(diào)信號(hào)線，舵機(jī)信號(hào)線分別與單片機(jī)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(jī)供電，另一部分轉(zhuǎn)換成3.3V穩(wěn)定直流給接收機(jī)供電。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

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

5.結(jié)束語(yǔ)

本文HOLTEK MCU單片機(jī)所設(shè)計(jì)的的無(wú)人機(jī)PC操作平臺(tái)，可通過(guò)鍵盤，鼠標(biāo)已經(jīng)串口連接的手柄多種方式控制無(wú)人機(jī)，同時(shí)通過(guò)全雙工無(wú)線通信，將無(wú)人機(jī)上所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制平臺(tái)上，通過(guò)控制平臺(tái)所模擬的3D界面進(jìn)行顯示，使操作者更加形象化的觀測(cè)飛機(jī)飛行姿態(tài)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，使用全雙工的通信方式實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行姿態(tài)，采用遠(yuǎn)距離無(wú)線遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作者遠(yuǎn)距離遙控。該設(shè)計(jì)所創(chuàng)建的平臺(tái)具有很好的可擴(kuò)展性，可利用現(xiàn)在發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的無(wú)線遙控等功能。

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