基于Arduino的无人机飞行摇杆控制器设计

【摘要】飞行摇杆控制无人机更具有真实感，有传统遥控器无法比拟的优点，且拥有较多的通道数。本文使用Arduino开发板设计了一套无人机飞行摇杆控制器，该控制器不需要电脑，成本低廉，携带方便，是理想的无人机控制平台。

【关键词】Arduino；无人机；飞行摇杆

一、引言

随着无人机正在成为新的经济增长点和国民收入水平的提高，近年来在高校和民间都得到了更多的关注。无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控（含远程驾驶）、预设程序控制和（或）基于机载传感器自主飞行的可重复使用不载人飞机。无人机已有近百年发展历程，目前世界上有30多个国家在发展和制造无人机，全球现役无人机已有12万架，市场规模达到1000亿美元左右。[1]

目前用无线电遥控的无人机大部分使用JR或者Futaba公司出品的专用遥控器，这些遥控器优点是手感好，方便携带，但是价格高昂，通道数较少，难以满足无人机执行任务时需要较多通道数的要求。少部分使用PC作为控制平台，使用了飞行摇杆作为控制器，能实现更专业的功能，通道数也多，但是携带不方便，需要携带手提电脑或者PC到外场调试，还必须考虑电池续航问题，造价也比较高昂，且需要专业的计算机软件知识进行编程。

为解决上述不便，本人提出了一种基于arduino的无人机控制器设计方案。Arduino是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师David Cuartielles和Massimo Banzi联合创建，是一块基于开放原始代码的Simple I/O平台[2-3]。Arduino具有类似java、C语言的开发环境，将AVR单片机相关的一些寄存器参数设置等都函数化了[4]，即使不太了解AVR单片机的朋友也能轻松上手，设计出各种实用的电路开发系统，是一款价格低廉、易于开发做应用的电子平台。Arduino包括硬件和软件在内的整个平台是完全开源的。

该方案由于采用Arduino平台，能快速开发出用较低成本的飞行摇杆来进行操纵航模，体验真实飞行的感觉。由于接口较多，可以实现高达20通道以上，能执行各种扩展任务，且不需要携带电脑。

二、系统原理与架构设计

系统框图如图1所示，分为两大部分，分别是地面控制部分和控制执行部分。地面控制部分是由单片机读取飞行遥杆的数据，即可获得飞行摇杆各个通道的即时电压，通过模式转换后，得到各个通道的值。将上述值经过编码后通过无线数传模块发送出去。

空中指令执行部分：

由空中无线数传接收到信号后将指令发送到单片机，单片机将指令解析，并转换为飞控系统常用的PPM信号，该PPM信号可以直接驱动飞控系统做出响应动作，从而控制无人机。

三、模块原理、设计与制作

1.摇杆信号获取原理

要得到飞行摇杆当前的杆量，一个方法是通过摇杆的usb接口读取，由于各个厂家的通讯协议都不兼容，有些还必须获得授权，实现起来比较麻烦。另一个方法是直接获取摇杆的电位器值。实际上现在市面上的摇杆除了非常高端的摇杆用了霍尔传感，大部分都采用了普通的电位器，按照可变电阻来读取即可。本模块采用市场上常见的赛钛客FLY5飞行摇杆，拆开来外壳，所有电位器都是用3P的白色连接插座和电路板连接的，XYZ三轴用来控制飞机姿态（升降、副翼和方向），油门由拉杆控制，苦力帽可以用来控制fpv摄像头云台，还有其他的按键可以映射为其他通道，例如空中投掷物体，自动回家，切换飞行模式等。

2.杆量解析处理模块

我们采用的单片机系统采用了Arduino MEGA2560开发板。该开发板是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板，本身具有54组数字I/O其中14组可做PWM输出），16组模数转换输入端，4组串口，使用16MHz的晶振。

读取摇杆的XYZ轴的电阻值，只需将电位器的电源和地接在电调输出的5v和地上，信号线接在Arduino板的模拟输入口上，由于Arduino的AD读取精度最高是10位，在程序里将电阻值映射成0到1023的数值，FLY5飞行摇杆的分辨率大概在800～900左右。飞行摇杆的电位器是线性的，反应较为灵敏的。实际测试中摇杆回中后，和打到最大和最小的地方，数据会有一些波动和噪点，采用卡尔曼滤波算法进行处理，可以获得平滑的曲线。

3.无线收发模块

无线数传模块采用了一对Xbee PRO 900HP无线收发模块，该模块功率为250mW。它们分别用来连接地面控制板单片机和连接飞行控制的单片机。配备原装天线，最远可以达到10KM，比传统遥控器距离极大的增加。标准的串口TTL接口，将RX和TX分别接在单片机板上的TX和RX端口上即可。波特率设置为115200，数传是半双工的，通讯增加CRC校验，防止数据丢包和扰篡改。

4.指令解析模块

有了良好的通讯协议，空中控制板解析出地面发出的命令后，做出相应的驱动舵机的动作。标准PPM信号的周期固定为20ms，理论上脉宽（脉冲的高电平部分）范围在1ms-2ms之间，但实际上脉宽可以在0.5ms-2.5ms之间，脉宽和舵机的转角0°-180°相对应[5]。目前大多数无人机飞行控制器的接收部分都遵循1-2ms规范，50HZ的数据刷新率。本设计采用DJI公司的NAZA-M飞控模块。

5.失控保护模块

在空中指令执行部分的单片机控制系统中，设计失控保护装置。在Arduino中设计定时器中断，每隔一段时间查询有无收到指令（正常情况下每秒应该接收50条指令）。由行器速度高，瞬息万变，因此可以设置为1秒没有接收到任何一条指令，则进入悬停状态，原地悬停待命，在30秒内没有收到地面的命令后，应该进入失控保护，并切换到飞行器控制器的GPS自动返航模式。

四、性能测试

使用飞行摇杆进行操控更具有真实感，是传统遥控器无法体验的。左手油门，右手控制升降，副翼，扭动z轴控制方向舵。地面站配备9dBi全向天线，空中配备3dBi原装天线在开阔地实测控制距离为8KM。在单向传输的时候没有出现明显延迟和抖舵，适合直升机或多旋翼无人机等低延时的控制要求，实测延时小于20ms。双向传输的时候延时较大，甚至出现了500ms以上的延时，只能适用于固定翼和滑翔机等对延时要求不高的飞行器。通过对数传模块的分析，原因是数传模块大多都是在单频率下，只能实现半双工的无线传输，发送和接收切换需要延时，如果数据量大会造成阻塞，从而加大延时。

五、结论与展望

本文提供的解决方案，成本较低，开发方便，易于实现。不足之处是单向传输虽然延时低，但是无法实时返回飞行器的各种数据。为解决该问题，只能使用2对无线模块，或采用MIMO天线能实现全双工的无线模块，才能解决。后期将会继续研究，以实现低成本的双向传输，并实现实时数据返回的OSD和低延时控制。

参考文献

[1]姜灵芝.浅析航模运动在无人机高职教育中的作用[J].新西部，2013，11.

[2]翁浩峰.在Flash课件中使用传感器[J].物理通报， 2010（6）：35-37.

[3]袁本华，董铮.基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J].安徽农业科学，2012，40（8）：5049-5050.

[4]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程， 2012，20（16）：155-157.

[5]蔡睿妍.基于Arduino的舵机控制系统设计[J].电脑知识与技术，2012，8（15）：3719-3721.

作者简介：黄文恺（1981—），男，广东韶关人，工学硕士，实验师，主要研究方向：机器人，无人机，CDIO教学改革。