基于Arduino的四旋翼無人機(jī)在災(zāi)區(qū)偵查中的應(yīng)用

空軍航空大學(xué)飛行基礎(chǔ)訓(xùn)練基地 李 帥 鐘展宏 許佳男

基于Arduino的四旋翼無人機(jī)在災(zāi)區(qū)偵查中的應(yīng)用

空軍航空大學(xué)飛行基礎(chǔ)訓(xùn)練基地 李 帥 鐘展宏 許佳男

無人機(jī)通過GY-86傳感器獲取飛行姿態(tài)，利用ATMEGA2560單片機(jī)作為控制芯片單片機(jī)輸出方波通過電子調(diào)速器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自平穩(wěn)智能飛行。遙控器接收機(jī)將遙控器指令傳遞給單片機(jī)。飛行器低空定高由MS5611高精度氣壓計(jì)完成，高空定點(diǎn)由GPS模塊。實(shí)時(shí)圖像傳輸采用5．8GHZ圖傳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該頻段與遙控器的2．4GHZ不會發(fā)生干擾。飛行數(shù)據(jù)用0SD視頻疊加系統(tǒng)將飛行數(shù)據(jù)與監(jiān)視畫面通過5．8G圖傳系統(tǒng)一并回傳，可以在遠(yuǎn)端監(jiān)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(xù)航時(shí)間。

智能飛行；MS5611；5．8G圖傳系統(tǒng)；長續(xù)航

1 緒論：研究意義

無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”,是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。機(jī)上無駕駛艙,但安裝有自動(dòng)駕駛儀、程序自動(dòng)控制裝置等設(shè)備。操控人員通過測控設(shè)備對其進(jìn)行定位、遙控、遙測和數(shù)據(jù)傳輸。與有人駕駛飛機(jī)相比,無人機(jī)體現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)。首先,研究制造成本低廉,效費(fèi)比高。其次,由于無需考慮人的因素,因此可以采用更先進(jìn)的氣動(dòng)布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),大大放寬了設(shè)計(jì)自由度。第三,可以到達(dá)人類難以接近的危險(xiǎn)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)。經(jīng)過幾十年時(shí)間的發(fā)展研究,無人機(jī)己經(jīng)在軍事、偵察、攝影、遙測、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外也進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

該無人機(jī)系統(tǒng)主要由七大部分組成：動(dòng)力部分、控制部分、姿態(tài)感知、GPS位置、信息,圖傳系統(tǒng)、監(jiān)控部分以及地面站調(diào)試系統(tǒng)。

2.2 基本原理

傳感器將飛行器姿態(tài)回傳給單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)姿態(tài)、遙控器接收機(jī)輸入值和相應(yīng)算法計(jì)算出動(dòng)力部分各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值,輸出給電子調(diào)速器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,控制飛行器姿態(tài)。GPS將衛(wèi)星數(shù)量、經(jīng)緯度、海拔高度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)給控制器,而在飛行器起飛時(shí)單片機(jī)己經(jīng)記錄下當(dāng)時(shí)的GPS信息,如果遙控器輸入命令返航或定點(diǎn),單片機(jī)就會將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與己記錄的數(shù)據(jù)比較,從而做出相應(yīng)的動(dòng)作(返航或定點(diǎn))。

2.3 系統(tǒng)功能

·低空定高：當(dāng)遙控器相應(yīng)的段位開關(guān)處于定高模式時(shí),飛行器通過GY-86傳感器上的MS5611高精度氣壓計(jì)計(jì)算出高度值并記錄,且不斷通過實(shí)時(shí)高度與記錄值比較發(fā)出相應(yīng)命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

·高空GPS定點(diǎn)：在高空無高大建筑物遮擋,GPS信號質(zhì)量較高可以實(shí)現(xiàn)高空定點(diǎn),當(dāng)遙控器相應(yīng)的段位開關(guān)處于定點(diǎn)模式時(shí),與定高模式相似,飛行器通過GPS獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出經(jīng)緯度以及海拔高度,且不斷通過實(shí)時(shí)的三維數(shù)據(jù)與記錄值相比較發(fā)出相應(yīng)命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

·視頻實(shí)時(shí)回傳以及飛行數(shù)據(jù)顯示：通過5.8G圖傳系統(tǒng)將飛行器上搭載的監(jiān)視設(shè)備畫面實(shí)時(shí)傳回地面監(jiān)視器,并且通過OSD視頻疊加系統(tǒng)將飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在監(jiān)視器畫面上。(如圖2.3所示)

圖2.3 OSD視頻疊加

·長續(xù)航：通過采用鋁合金機(jī)身,高能量密度的鋰動(dòng)力電池,升效高的機(jī)槳搭配,最大限度的延長了續(xù)航時(shí)間,實(shí)測可達(dá)20分鐘左右。

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

3 硬件設(shè)計(jì)（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(shù)字輸入輸出,適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是ATmeGa2560,同時(shí)具有54路數(shù)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(gè)16MHz晶體振蕩器,一個(gè)USB口,一個(gè)電源 插座,一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

圖3.1 系統(tǒng)流程圖

3.2 GY-86 10DOF傳感器介紹

GY-86傳感器是由MPU6050姿態(tài)傳感器、HMC5883電子羅盤、MS5611高精度氣壓計(jì)構(gòu)成的10DOF傳感器。

HMC5883L：霍尼韋爾HMC5883L是帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片,應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。HMC5883L包括最先進(jìn)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(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°～2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)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(gè)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(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP: DiGital Motion Processor)硬件加速引擎,由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式,向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫,可處理運(yùn)動(dòng)感測的復(fù)雜數(shù)據(jù),降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷,并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)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(dá)到10cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(工廠校準(zhǔn)系數(shù))。MS5611提供了一個(gè)精確的24位數(shù)字壓力值和溫度值以及不同的操作模式,可以提高轉(zhuǎn)換速度并優(yōu)化電流消耗。高分辨率的溫度輸出無須額外傳感器可實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能?？梢耘c幾乎任何微控制器連接。通信協(xié)議簡單,無需在設(shè)備內(nèi)部寄存器編程。

3.3 動(dòng)力系統(tǒng)介紹

3．3．1 朗宇X2212無刷電機(jī)

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(diào)速器

SkyWalker(天行者)系列空模無刷電調(diào)為好盈公司原裝正品,價(jià)格非常低廉,適用于無刷動(dòng)力系統(tǒng)的普及和RTF應(yīng)用。

3.4 監(jiān)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(rèn)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(tǒng)介紹

OSD模塊大?。?7*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(tǒng)

3．6．1 圖傳系統(tǒng)發(fā)射端

射頻率：5.6-5.9Ghz

電壓輸入：7-24V

發(fā)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(chǎn)品凈重：7.3G 不含天線

外形尺寸：30x20x8mm

3．6．2 圖傳系統(tǒng)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(shù)：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(shù)據(jù)接口等優(yōu)點(diǎn),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(jìn)而質(zhì)量輕的特點(diǎn),而且放電電流大,可供大功率無刷電機(jī)使用。

3.10 遙控器

為保證系統(tǒng)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(tài)控制的四個(gè)通道外,富于的兩個(gè)通道可以用來隨時(shí)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(diào)速器是將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流電與無刷電機(jī)的連接采用三線連接,而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以通過交換任意兩根線來完成。電子調(diào)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(dòng)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(dòng)力電池上,TX和RX端分別接在arduino2560的RX和TX進(jìn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)發(fā)射端上。

5)圖傳系統(tǒng)發(fā)射端采用12V供電接在動(dòng)力電池上,信號線接入OSD視頻信號輸出端。

6)圖傳系統(tǒng)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(jiān)視器。

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

圖3.2 最終完成品

4 系統(tǒng)特色

4.1 機(jī)架

在設(shè)計(jì)飛行器機(jī)架時(shí)我們拋棄了市面上成品機(jī)架,又重又脆,不利于續(xù)航時(shí)間的延長,經(jīng)過一段時(shí)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(jī)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(jìn)行連接,對于電機(jī)底部及機(jī)架中心處容易由震動(dòng)一起脫落處我們增加了彈簧墊圈。

參數(shù)：對角線電機(jī)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(jī)架總質(zhì)量：210G

圖4.1 機(jī)架整體效果圖

4.2 飛控部分

摒棄市面上的成品飛控,價(jià)格昂貴而且失控現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,采用所掌握的知識獨(dú)立搭建飛控平臺,極大地減少了飛行風(fēng)險(xiǎn),減少墜毀、失控的可能性。由于外場在線調(diào)試很不方便,加裝了藍(lán)牙模塊,利用手機(jī)地面站進(jìn)行調(diào)試監(jiān)控。 另外,還加裝了GPS模塊,不僅可以在監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)測到GPS信息也能在發(fā)生意外時(shí)第一時(shí)間找到飛行器。遙控器采用六通道遙控器可以進(jìn)行多種模式飛行。同時(shí)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(zhǔn)備好。

4.3 5.8G圖傳系統(tǒng)

航模遙控器多為2.4GHZ的頻率,而市面上大多數(shù)基于WIFI和藍(lán)牙等的無線圖像傳輸設(shè)備也為2.4GHZ,會和遙控器發(fā)生嚴(yán)重干擾,影響飛行安全和監(jiān)視畫面質(zhì)量,故我們采用5.8GHZ圖像傳輸系統(tǒng),有效的避免了頻率間的相互干擾。

5 技術(shù)攻關(guān)

5.1 動(dòng)力方面

設(shè)計(jì)之初,方案采用的是新西達(dá)電機(jī)2212KV1000, 8045規(guī)格的螺旋槳,機(jī)架采用成品的塑料機(jī)架,但最終失敗,原因有兩方面,一是新西達(dá)電機(jī)的動(dòng)平衡很不好,在每分鐘上萬轉(zhuǎn)的速度下震動(dòng)很大,直接導(dǎo)致GY-86姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)噪聲很大;二是塑料機(jī)架很重很脆,幾次起落下來己經(jīng)支離破碎,而且螺旋槳尺寸較小不能提供足夠升力。經(jīng)過長時(shí)間的論證,嘗試選用不銹鋼做機(jī)架,但由于不銹鋼較軟在上螺絲時(shí)很容易變形,所以該方案也被放棄。經(jīng)過前兩次的實(shí)驗(yàn),我們開始探索另一種替代品,最終采用鋁合金方管,經(jīng)過嚴(yán)格地計(jì)算、劃線,確定了機(jī)架形狀尺寸,再經(jīng)過鉆孔,上螺絲等過程,制作出成品機(jī)架(如圖 4.1)。動(dòng)力換用動(dòng)平衡較好的朗宇X2212系列的電機(jī)KV980,螺旋槳仍舊采用1045.經(jīng)過簡單的調(diào)試后,飛行器穩(wěn)穩(wěn)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(shè)計(jì)之處由于對I2C總線的學(xué)習(xí)不夠深入,在程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后并沒有準(zhǔn)確獲得飛行器姿態(tài)。對于姿態(tài)數(shù)據(jù)低通濾波在設(shè)計(jì)之處也考慮的不夠完善,飛行器會因?yàn)檎饎?dòng)噪聲時(shí)常墜毀。

5.3 圖傳系統(tǒng)

起初采用的是基于WIFI的無線攝像頭,但在具體測試時(shí)發(fā)現(xiàn)只要遙控器一打開開關(guān)監(jiān)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(jì)于事,在查閱相關(guān)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(yuǎn)距離圖像傳輸對單片機(jī)的要求較高,選用了市面上較為成熟且價(jià)格低廉的5.8G無線圖像傳輸系統(tǒng),該系統(tǒng)只需要對照頻率表通過撥碼開關(guān)將發(fā)射端和接收端置于相同頻率即可,但該系統(tǒng)仍有缺點(diǎn),就是同一時(shí)間下只能一個(gè)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(jìn)行改造。

6 發(fā)展展望以及待改進(jìn)方面

6.1 動(dòng)力部分

由于機(jī)架的尺寸限制了螺旋槳和電機(jī)的尺寸,進(jìn)而影響了載重和續(xù)航時(shí)間,下一步計(jì)劃設(shè)計(jì)出對角軸距大于550mm的機(jī)架以及更為科學(xué)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(zhuǎn)速更低、扭矩更大無刷電機(jī),這會更為省電、效率更高,從而為以后更大載重、更長續(xù)航時(shí)間打下基礎(chǔ)。

對于螺旋槳數(shù)量上,計(jì)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(dòng)力分支不能正常工作時(shí),平穩(wěn)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(diǎn)以及待開發(fā)的基于GPS的返航功能有很大影響。所以下步計(jì)劃采用基于北斗、格洛納斯、GPS融合定位的M8N定位系統(tǒng),該系統(tǒng)理論精度在厘米級別,而且在衛(wèi)星數(shù)量大于6顆時(shí),可以自動(dòng)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(jì)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(jiān)控部分

目前我們飛行器采用的無線圖傳系統(tǒng)采用的是開放式數(shù)據(jù)傳輸,即工作在同一頻段的設(shè)備能相互間共享數(shù)據(jù),但這對于偵察的應(yīng)用卻是很不利的,容易被攔截,所以下步計(jì)劃自行研發(fā)圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸方式,采用加密發(fā)送、接收解密、點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式,這樣一方面可以增加同一區(qū)域的工作設(shè)備密度,也可以提高數(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù)的安全性。

本文指導(dǎo)教師：焦陽，高玲，何思銘。