李常磊,王儉臣

(駐西安地區(qū)第九軍代室,陜西 西安 710064)

0 引言

傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)完全由人工遙控的,但隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟,依靠先進(jìn)的傳感器、嵌入式計(jì)算機(jī)和人工智能系統(tǒng),顯著提升了無(wú)人機(jī)的自主程度。具有云臺(tái)的無(wú)人機(jī),如大疆幻影IV Pro及Skydio R1,已實(shí)現(xiàn)了障礙物檢測(cè)、躲避、自動(dòng)著陸等功能[1]。此外,隨著配備攝像、垂直起降等功能的普及,無(wú)人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于媒體、監(jiān)視、搜索和救援等不同領(lǐng)域。

遙測(cè)系統(tǒng)是指具有對(duì)一定距離的被測(cè)對(duì)象的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、傳輸和處理功能的系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行中的參數(shù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和發(fā)送,有利于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文將基于XBee通信技術(shù)設(shè)計(jì)一套高效的無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)。

1 遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要一個(gè)開(kāi)源的微控制器,以便根據(jù)傳感器的要求對(duì)所需的采樣率進(jìn)行編程。本文采用了基于ATmega328P的微控制器Arduino Uno,該控制器的IDE界面有助于用戶快速完成電路設(shè)計(jì),并確定用于輸入和輸出數(shù)據(jù)引腳[2]。此外,在設(shè)計(jì)的遙測(cè)系統(tǒng)中選擇XBee-PRO作為射頻模塊,該模塊采用802.15.4、多點(diǎn)和Digi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,具有低功耗和大容量的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)流,如圖1所示。

圖1 遙測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)流

開(kāi)發(fā)遙測(cè)系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是在保持系統(tǒng)低功耗的同時(shí),依然具有較高的靈活性來(lái)測(cè)量所需參數(shù)并將其無(wú)損地傳輸?shù)降孛嬲綶3]。為了保持地面站和無(wú)人機(jī)的正常通信,圖1中的兩個(gè)XBee的相關(guān)參數(shù)設(shè)置應(yīng)相同。將信號(hào)發(fā)送端設(shè)置為協(xié)調(diào)器,接收端設(shè)置為接收器。協(xié)調(diào)器將與無(wú)人機(jī)上的Arduino放置在一起;接收器將位于地面站,并使用XCTU軟件完成數(shù)據(jù)接收與顯示。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的真實(shí)模型如圖2所示。

圖2 遙測(cè)系統(tǒng)真實(shí)模型

2 遙測(cè)系統(tǒng)傳感器及地面站設(shè)計(jì)

2.1 傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)

遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)主要包括測(cè)量無(wú)人機(jī)基本參數(shù)所需的傳感器和通過(guò)XBee PRO S3B模塊傳輸數(shù)據(jù)的串行通信模塊。需要采集的參數(shù)包括海拔高度、位置、電池電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和執(zhí)行器的溫度。

XBee shield無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸載板用于連接X(jué)Bee S3B模塊到Arduino,能夠?qū)Bee引腳固定在一個(gè)焊錫板上,并提供數(shù)字2～7引腳和模擬輸入。當(dāng)跳線在USB位置時(shí),XBee模塊的DOUT引腳被連接到FTDI芯片的RX引腳,而XBee模塊的DIN則被連接到FTDI芯片的TX引腳[4]。

XBee-PRO S3B模塊允許以200 kbps的射頻數(shù)據(jù)率進(jìn)行6 km范圍的無(wú)線通信。它有一個(gè)2.1 dB的RPSMA連接器偶極天線。其中,無(wú)線電模塊設(shè)備包括:微控制器EFM32G230F128、低功耗射頻收發(fā)器ADF702和射頻功率放大器。

采用MPL315A2作為提供海拔高度的測(cè)高儀,它是一個(gè)帶有I2C接口的MEMS壓力傳感器,其分辨率為1.5 Pa,即0.3 m高的分辨率。該傳感器使用SDA和SCL完成數(shù)據(jù)傳輸。將其連接到微控制器V+,并將其VDD和GND引腳接地。由于采用了UNO,SCL到I2C時(shí)鐘模擬連接引腳5,SDA到I2C數(shù)據(jù)模擬連接引腳4。將MPL315A2庫(kù)安裝到Arduino IDE中,以便從傳感器中提取數(shù)據(jù)。

為了定位無(wú)人機(jī)在空間中的位置,將遙測(cè)系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)傳感器連接,以提供實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度與方位數(shù)據(jù)。在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,使用帶有內(nèi)置羅盤模塊的高精度BDS模塊,該模塊具有較高的靈敏度,并具有陶瓷貼片天線的有源電路,更新速率為5 Hz,航向精度為0.3°。

為了使電機(jī)具有高效的性能,需要對(duì)其工作進(jìn)行分析。在無(wú)人機(jī)中使用了預(yù)測(cè)性維護(hù)設(shè)置,并使用了溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器來(lái)記錄飛行中的電機(jī)性能。同時(shí),采用LM393紅外傳感器,獲取飛行中電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。紅外線被連接到微控制器的電源和一個(gè)數(shù)字引腳上,以獲取傳感器的數(shù)據(jù)。它的工作原理是檢測(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)中同一點(diǎn)之間的時(shí)間差。此外,轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)被記錄在地面站進(jìn)行分析。

電池的電壓由無(wú)人機(jī)到地面站的分壓器電路決定。這有助于提高飛行性能和續(xù)航能力。它也可以作為故障安全參數(shù),一旦電池電壓低于極限值,便向地面站發(fā)出警告。

2.2 地面站設(shè)置

地面站有一個(gè)安裝在XBee shield上的接收器,通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接,并通過(guò)XCTU和Coolterm等軟件用于顯示數(shù)據(jù)。

(1)XCTU軟件。XCTU是一個(gè)免費(fèi)的多階段應(yīng)用程序,旨在使開(kāi)發(fā)人員能夠通過(guò)易于使用的圖形界面與射頻模塊關(guān)聯(lián)。它集成了新的工具,使XBee的設(shè)置、配置和測(cè)試變得更加簡(jiǎn)單。XCTU包含了用戶快速使用XBee所需的大部分工具。需要注意的是,在XCTU中必須在模塊設(shè)置部分設(shè)置默認(rèn)值。XCTU能夠顯示文本數(shù)據(jù)和十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

(2)Coolterm軟件。Coolterm簡(jiǎn)單串口終端應(yīng)用(無(wú)終端仿真),需要與連接串口的硬件交換數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)將顯示在軟件屏幕上,并提供數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)能力。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn),并將接收到的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上,其中,波特率為9 600。Coolterm軟件的結(jié)果如圖3所示。

圖3 在Coolterm軟件中的結(jié)果

通過(guò)該軟件可以處理的最大數(shù)據(jù)速率為每秒20個(gè)數(shù)據(jù),這樣就可以不間斷地顯示數(shù)據(jù)。所獲得的數(shù)據(jù)響應(yīng)結(jié)果,如表1所示。

表1 地面站數(shù)據(jù)記錄

無(wú)人機(jī)的當(dāng)前高度是由作為主要傳感器的測(cè)高儀獲得的,也可從BDS獲得。通過(guò)比較這兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性相似。此外,通過(guò)軟件中顯示的數(shù)據(jù),也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要實(shí)現(xiàn)了基于XBee通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),機(jī)載XBee Pro S3B可以通過(guò)接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)與地面站的其他XBee模塊通信,速率更快,數(shù)據(jù)丟失最小,范圍大,能夠?qū)崿F(xiàn)BDS、測(cè)高儀等傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?？梢缘贸鼋Y(jié)論:XBee Pro S3B模塊可以有效地用于遙測(cè),可以記錄飛行路徑的無(wú)人機(jī)參數(shù)。