TOP3 ATmega2560無人機搖桿微控制器設計方案

　　電源欠壓保護

　　電源欠壓保護由鋰電池的電池放電特性易知， 當電池處于3.5V 時， 此時電池電量即將用完， 應及時給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池損壞。于是設計了一套欠壓保護電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設計的基準電壓比較， 將比較結果送人LM324 放大電路進而觸發由三極管構成的開關系統， 從而控制負載回路的通阻。試驗證明， 當系統電壓達到臨界危險電壓7V 時， 系統的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統鋰電池過度放電現象的產生。

　　圖5 欠壓保護電路

　　由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產生氣體， 因內壓上升而發生自燃或破裂的危險；反之， 在過度放電狀態下， 電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數。該充電電路和本管理系統能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

　　本文設計了一套UAV 電源管理系統， 該系統具有自動控制充放電管理， 實時監測電池電壓等功能。該系統已經經過調試和試驗驗證了其可行性， 但是為了保證飛機安全， 還要做更多的試驗以保證無人機自主飛行的安全和穩定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預測等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價格也相對適中，如果掌握先進的科學的使用方法， 讓鋰電池發揮應有的最大效用， 將會節省大量的資源和財富。

　　解讀ATmega2560無人機搖桿微控制器設計方案

　　隨著無人機正在成為新的經濟增長點和國民收入水平的提高，近年來在高校和民間都得到了更多的關注。無人機是無人駕駛飛機的簡稱，是利用無線電遙控（含遠程駕駛）、預設程序控制和（或）基于機載傳感器自主飛行的可重復使用不載人飛機。目前用無線電遙控的無人機大部分使用JR或者Futaba公司出品的專用遙控器，這些遙控器優點是手感好，方便攜帶，但是價格高昂，通道數較少，難以滿足無人機執行任務時需要較多通道數的要求。少部分使用PC作為控制平臺，使用了飛行搖桿作為控制器，能實現更專業的功能，通道數也多，但是攜帶不方便，需要攜帶手提電腦或者PC到外場調試，還必須考慮電池續航問題，造價也比較高昂，且需要專業的計算機軟件知識進行編程。

　　為解決上述不便，本人提出了一種基于Arduino的無人機控制器設計方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設計學院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯合創建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺.Arduino具有類似java、C語言的開發環境，將AVR單片機相關的一些寄存器參數設置等都函數化了，即使不太了解 AVR單片機的朋友也能輕松上手，設計出各種實用的電路開發系統，是一款價格低廉、易于開發做應用的電子平臺。Arduino包括硬件和軟件在內的整個平臺是完全開源的。該方案由于采用Arduino平臺，能快速開發出用較低成本的飛行搖桿來進行操縱航模，體驗真實飛行的感覺。由于接口較多，可以實現高達 20通道以上，能執行各種擴展任務，且不需要攜帶電腦。

　　系統原理與架構設計

　　系統框圖如圖1所示，分為兩大部分，分別是地面控制部分和控制執行部分。地面控制部分是由單片機讀取飛行遙桿的數據，即可獲得飛行搖桿各個通道的即時電壓，通過模式轉換后，得到各個通道的值。將上述值經過編碼后通過無線數傳模塊發送出去。

　　空中指令執行部分：

　　由空中無線數傳接收到信號后將指令發送到單片機，單片機將指令解析，并轉換為飛控系統常用的PPM信號，該PPM信號可以直接驅動飛控系統做出響應動作，從而控制無人機。

　　模塊原理、設計與制作

　　1.搖桿信號獲取原理

　　要得到飛行搖桿當前的桿量，一個方法是通過搖桿的usb接口讀取，由于各個廠家的通訊協議都不兼容，有些還必須獲得授權，實現起來比較麻煩。另一個方法是直接獲取搖桿的電位器值。實際上現在市面上的搖桿除了非常高端的搖桿用了霍爾傳感，大部分都采用了普通的電位器，按照可變電阻來讀取即可。本模塊采用市場上常見的賽鈦客FLY5飛行搖桿，拆開來外殼，所有電位器都是用3P的白色連接插座和電路板連接的，XYZ三軸用來控制飛機姿態（升降、副翼和方向），油門由拉桿控制，苦力帽可以用來控制fpv攝像頭云臺，還有其他的按鍵可以映射為其他通道，例如空中投擲物體，自動回家，切換飛行模式等。

　　2.桿量解析處理模塊

　　我們采用的單片機系統采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 開發板。該開發板是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發板，本身具有54組數字I/O其中14組可做PWM輸出），16組模數轉換輸入端，4 組串口，使用16MHz的晶振。讀取搖桿的XYZ軸的電阻值，只需將電位器的電源和地接在電調輸出的5v和地上，信號線接在Arduino板的模擬輸入口上，由于Arduino的AD讀取精度最高是10位，在程序里將電阻值映射成0到1023的數值，FLY5飛行搖桿的分辨率大概在800~900左右。飛行搖桿的電位器是線性的，反應較為靈敏的。實際測試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數據會有一些波動和噪點，采用卡爾曼濾波算法進行處理，可以獲得平滑的曲線。

　　3.無線收發模塊

　　無線數傳模塊采用了一對X b e e P R O900HP無線收發模塊，該模塊功率為250mW.它們分別用來連接地面控制板單片機和連接飛行控制的單片機。配備原裝天線，最遠可以達到10KM，比傳統遙控器距離極大的增加。標準的串口TTL接口，將RX和TX分別接在單片機板上的TX和RX端口上即可。波特率設置為115200，數傳是半雙工的，通訊增加CRC校驗，防止數據丟包和被干擾篡改。

　　本文提供的解決方案，成本較低，開發方便，易于實現。不足之處是單向傳輸雖然延時低，但是無法實時返回飛行器的各種數據。為解決該問題，只能使用2對無線模塊，或采用MIMO天線能實現全雙工的無線模塊，才能解決。后期將會繼續研究，以實現低成本的雙向傳輸，并實現實時數據返回的OSD和低延時控制。