第４Ｏ卷第３期 ２０１７年６月 电子器件 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ ２０１７ Ｎｅｗ Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ Ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ’Ｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＡＳＹＳ３ ＺＨＵ Ｚｈｉｈｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｙａｏｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｍｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｓｉｎｇｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｏｕｔ ＤＩＹ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｃａｎ’ｔ ｗｒｉｔｅ ｃｏｄｅ ｏｎ ｉｔｓ ｏｗｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｓｎ＇ｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ＢＡＳＹＳ３．Ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｘｃｈａｎｇｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｄｕｌｅ ４３３ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉｏｙｓｔｉｃｋ ｃｏｎｔｒｏＩ，ｔｈｅ ｑｕａｄｃｏｐｔｅｒ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｖｏｉｃｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｑｕａｄｃｏｐｔｅｒ ｓｅｔ ｈｉｇｈ，ｆｉｘｅｄ，ａｎｄ ｔａｋｅ ａｅｒｉａｌ ｐｈｏｔｏｓ ｓｔｅａｄｉｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｈｏｍｅｍａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＢＡＳＹＳ３；ｖｏｉｃｅ；ｍａｎｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ；ｓｔｅａｄｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ＥＥＡＣＣ：６１５０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－９４９０．２０１７．０３．０３５ 基于ＢＡＳＹＳ３的新型四轴飞行器通讯及控制装置术 朱志鸿，郑姚生 （东南大学电子科学与工程学院，南京２１Ｉ１８９） 摘 要：商业化四轴飞行器上的遥控器功能单一，没有ＤＩＹ的能力，无法自行编写代码，不利于飞控新功能的开发。自制遥 控器利用ＢＡＳＹＳ３作为主控芯片，采用４３３模块进行无线通讯，与飞控板进行有效信息交互；实现了除商用摇杆控制功能以 外，还具备语音控制四轴飞行器的功能。与此同时，遥控器还可以实现同时与定高、定点、航拍等相结合的功能，实现四轴飞 行器的全面稳定控制，为四轴飞行器后期的开发利用提供了进一步的参考。 关键词：电子与通信技术；自制遥控；ＢＡＳＹＳ３；语音；多种功能结合；稳定控制 中图分类号：Ｖ２１２．１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９４９０（２０１７）０３－０６９２－０５ 四轴飞行器是一种常见的空中机器人。由于其 高度灵活性，在民用和实验领域均有广泛的应用。 目前大众使用的基本为商品飞控，例如ＡＰＭ、ＭＷＣ １ 四轴飞行器的控制方式 １．１基本飞行原理 等，它们的优点在于集成度很高，出现失控情况的概 率极低。与此同时，配套商品飞控的也是一些成品 遥控，如天地飞、乐迪等；它们的通讯方式为２．４Ｇ， 可以实现起飞、调整油门和前后左右４个方向的飞 四轴飞行器属于垂直起降旋翼飞行器类型＿２］．旋 翼数量为４，基本组成结构为４个电调和电机。四轴 飞行器常根据ＭＰＵ６０５０解算姿态．计算出三轴欧拉 角，分别为横滚角（ＲＯＬＬ），俯仰角（ＰＩＴＣＨ）和航向角 行等基本功能［】］。商品控的优点是稳定、传输性能 强、不容易丢包；缺点是没有ＤＩＹ的能力，无法自己 编写代码，配合飞控实现新的功能。 针对如何自行设计飞行器及通讯控制装置．本 文提出采用ｓｔｍ３２作为飞控，调整姿态；以ＢＡＳＹＳ３ （ＹＡＷ） ］。４个电机的转速不同，使飞行器实现倾 斜，当４个电机产生的竖直向上的分力和重力相等 时，前向分力驱动四轴飞行＿４］。一般飞控实现的最基 本飞行动作为控制横滚，俯仰和航向。 １．２姿态控制ＰＩＤ调节 作为自制遥控器主控，扩展遥感，通过４３３无线模块 接受、发送数据，通过无线图传接受图像信号并处理 的方案。综合了商用遥控和自己的思考，有效地实 四轴飞行器共有６个自由度，两个平移自由度（前 后、左右方向平移），两个旋转自由度（俯仰、横滚动 作），以及ｚ轴（高度）的悬停和旋转＿５］。自行制作遥 控器的前提需要把四轴的飞行姿态调整稳定且便于控 现了姿态控制和遥控飞行等功能。 项目来源：江苏省品牌专业建设工程资助项目 收稿日期：２０１６—０５—１２ 修改日期：２０１６—０６—２８ 第３期 朱志鸿，郑姚生：基于ＢＡＳＹＳ３的新型四轴飞行器通讯及控制装置 ４读取遥控器 ６９３ 制，所以我们需要把欧拉角作为控制量。通过ＰＩＤ调节 实现飞行器多自由度飞行，可以简化自制遥控。 欧拉角由３部分组成，横滚角（ｒｏｌ１）是飞行器在 平面绕 轴转动产生的角度；俯仰角（ｐｉｔｃｈ）是 飞行器在ＸＺ平面绕ｌ，轴转动产生的角度；偏航角 （Ｙａｗ）是飞行器在ＸＹ平面绕ｚ轴转动产生的角 度［６］。所谓的姿态控制，就是通过控制四轴飞行器 的姿态，可以达到让四轴飞行器前后、左右、顺时针、 逆时针飞行的目的 实现欧拉角控制，我们需要采用串级ＰＩＤ控制 （单ＰＩＤ不够稳定） ］。串级ＰＩＤ是由两个串联的 ＰＩＤ调节器构成，其中主调节器的控制环称为外环， 副调节器的控制环称为内环。外环的控制周期一般 为内环控制周期的两倍。由于串级ＰＩＤ引入了两 个ＰＩＤ控制器，能使两个控制器都起作用，因此串 级ＰＩＤ控制器能够改善过程的动态特性，提高系统 的控制质量，对于进入副回路的扰动能够迅速克服。 基本流程如图１所示。 态 图１串级ＰＩＤ流程 １．３中断周期的确定 每个ＰＩＤ控制都需要定时中断。然而中断周期 的选择也是需要不断调试的。一般四轴飞行器的姿 态解算频率需要＞＝５００ Ｈｚ，这样基本可以确保姿态 稳定（周期为２ ｍｓ）；然后配合ＰＩＤ定高，周期大概 为２０ ｍｓ的整数倍。这里可以取４０ ｍｓ或者６０ ｍｓ比 较合适 引。 图２为姿态解算流程，图３为一键起飞流程。 读取遥控器 控制指令 Ｉ 读取姿态 传感数据 ｌ ｌＩ 姿态解算 ｌ Ｉ 电机串级 ｌ ＰＩＤ控制 图２姿态解算流程 －＝＝＝［二 否 降落停止 飞行 图３一键起飞流程 １．４遥控器控制 四轴可以实现一键飞行，也可以自行起飞．但是 自由度的控制是必要的。在电设中的四轴题目是自 主飞行［９］，但是它是由黑线（类似智能车中的赛道） 指引，也就是循迹飞行。在正常的高空飞行，遥控器 就显得很有必要；而且四轴飞行的核心是姿态解算， 通过姿态解算后我们需要自行遥控。而且ＤＩＹ遥 控器可以把许多功能结合到一起．也就是说遥控器 可以控制四轴实现不同姿态，不同高度，读取航拍数 据，返回四轴位置等多种功能。 ２控制系统硬件组成 ２．１系统模块组成 系统基本结构．地面站作为信号发送端，可接受 语音信号和遥控信号，其中语音信号经过ＬＤ３３２０ 模块进入ＢＡＳＹＳ３。遥控信号通过ＸＡＤＣ采集进人 ＢＡＳＹＳ３。通过无线传输进人飞行器部分；飞行器上 载有ＢＡＳＹＳ３与地面站通信。通过采集信号计算得 ＰＷＭ发送给ＳＴＭ３２控制电机，超声波通过串口进 入飞控，从而实现定高；摄像头模块通过ＢＡＳＹＳ３驱 动，然后通过无线数传，传输至地面站再使用显示屏 显示。基本组成如图４所示。 图４系统结构框图 ２．２系统硬件部分 ２．２．１飞行控制板 飞行控制板核心处理芯片为ＡＲＭ内核的 ６９４ 电 子 器 件 第４０卷 ＳＴＭ３２Ｆ１０３系列，ＰＣＢ板是白行制作基本引出ｒ 飞控所需的引脚，如四路ＰＷＭ，串门，ＯＩ ＥＤ 示屏 等：而ｎ枉板子上还集成了很多的外设，＝ 轴姿态 ３ 自制遥控控制系统 ３．１商品遥控的特点 ＭＰＵ６０５０、磁力汁ＨＭＣ５８８３、气压汁ＭＳ５６１ １等；确 保飞行器町以以稳定姿态飞行 罔５为自制飞控ＰＣＢ 图５飞控ＰＣＢ版图 ２．２．２机载控制板 由机载ＢＡＳＹＳ３通过４３３模块“’接收遥控器 数据．驱动飞控实现所需姿态： 时ＯＶ７６７０，获取航 拍图像。控制舵机云台转动，实现３６０。航拍功能 受限于板载内仔，Ａ接将ＶＧＡ信弓通过ＮＲＦ２４０ｌ 传回地面控制台是不现文的，选择将其硬件解码，转 换为Ａｖ格式，使用ＴＳ８３２冈传系统将视频信息文 时传输到地面控制台的 爪屏 ２．２．３地面控制台（遥控器） 地面控制 主要组成部分是一个附带讲音接收 器的自制摇杆遥控器该遥控器使用摇杆电位器作 为传感器，ＢＡＳＹＳ３采集数据，通过４３３模块和飞行 器上的另一块ＢＡＳＹＳ３进行数据传输和通信 图６为地面控制 图６地面控制台 目前有很多商品遥控，如天地飞、乐迪等，它们 通过装在四轴上的接收机和遥控器内的２．４Ｇ无线 模块进行通信，通过接收机传送不『占ｊ的ＰＷＭ占空 比控制飞控板 商品遥控的特点是稳定，基本不会出现通信协 议的错误，冈为他们的通信协议是经过严格调试的： 而且比较安全，一般都带有教练机和模拟器功能，很 适合新手使用，非常安全且人性化。 然而，它的ＤＩＹ能力较差；拆开几款商品遥控 以后，发现里面是同定的数字电路，只有几种局限的 逻辑功能，并没有主控的存在，无法自行编写代码； 因此一般用来配合成品飞控如ＡＰＭ、ＭＷＣ等，功能 固定，没有设计的空间。普通的前后左右飞行控制 情况可以完美操控，但是如果自行加入定高、定点、 语音等功能便无法结合控制。 因此，自制遥控就显得很有必要 我们采用自 制遥控就是为了配合我们的自制飞控版，增加多种 功能，丰富用户体验． ．３．２自制遥控的原理 飞行器上的ＢＡＳＹＳ３主要作用是驱动飞控板． ．我们在飞控上采用了串级ＰＩＤ控制，可以控制四轴 的状态：相当于把飞控作为一个“黑盒子”，我们通 过ＢＡＳＹＳ３来控制飞控，从而控制四轴飞行器 这 样做的好处就是，不让飞控板“分心”去做其他事， ｔ－Ｌ￣Ｈ在定时中断里写一个ＮＲＩ＇、２４Ｌ０１接受数据的代 码．很有可能打乱ＭＰＵ６０５０姿态解算的时间周期， 所以采用这种控制方式会使时序结构较为清晰。 地面控制台主要组成部分是一个附带语音接收 器的自制摇杆遥控器，外加一个摄像头显示装置． 该遥控器使用摇杆电位器作为传感器，通过 ＢＡＳＹＳ３的ＸＡＤＣ通道输入ＦＰＧＡ中。通过解码，运 算．再经由４３３Ｍ无线模块发射给飞行器，语音模块 识别特定语音。将两个通道开关量也通过４３３Ｍ尢 线模块发送给飞行器上的ＢＡＳＹＳ３．Ｆ｝｛此可以实现自 制遥控和语音控制的功能 图７为自制遥控整体流程： 采用自制遥控的意义就是为了配合新的功能， 在此处我们加人了一键起飞、定高、航拍、数据传输、 语音控制等功能，均和自制遥控紧密连接 首先，遥 控器中的ＢＡＳＹＳ３作为主控芯片．可以控制ＬＤ３３２０ 语音传输模块¨。。和接受ＧＰＳ所发信息；实现普通 商品遥控所不具备的控制和通信能力 在此处我们 第３期 朱志鸿，郑姚生：基于ＢＡＳＹＳ３的新型四轴飞行器通讯及控制装置 ６９５ 开始 输入语音 控制信号 开始 Ｔ 键模式 ＿＿＿＿一遥控模式 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿＿＿＿＿＿＿●＿－＿＿＿—— 实时航拍显示ｌＪ遥控定高ｆ ｆ一键定高ｌ ｌ ＧＰＳ定点ｌ ｌ自由飞行 ＢＳＡＹＳ３ ２ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．：ｌ ．．．．．．．一 ＢＳＡＳ３ １ 送控制信 驱动飞控板、 摄像头、传感器 ＢＳＡＹＳ３ ２ ＢＡＳＹＳ３ ２读 取控制命令 —弋一 ＢＡＳＹＳ３ ２ 传回实时图像 、按命令驱动 飞控板 环境信息等 ＢＡＳＹＳ３．２ 收到结束信号 图７自制遥控工作流程 可以驱动语音模块定义关键字，每当识别关键字时． 即可实现语音控制功能；单片机驱动ＧＰＳ读取地理 经过测试，自制遥控器在短距离内可以完全取 代一个６通遥控器的功能。 主要性能参数如表１所示。 表１性能参数 定高范围 定高精度 自制遥控器控制距离 航拍分辨率 最大载重 Ｏ一２ ｍ ± ｃｍ 位置信号，也可通过４３３无线模块与遥控器通信，可 以实现读取地理信息功能。 其次，我们在自制飞控上实现的姿态控制、定 高、一键起飞功能可由自制遥控器完美控制。串级 ＰＩＤ参数整定合理以后，我们在自制遥控器上输入 目标姿态、高度（此处可结合语音控制），通过无线 ４３３模块传输至飞行器上的ＢＡＳＹＳ３．然后输出对应 的多通道ＰＷＭ给飞控板，实现控制姿态的功能；一 键起飞在遥控器上制作一个开关即可（一键起飞实 现方法：飞行器解锁一给定高度飞行）。 最后，由于我们自行驱动ＯＶ７６７０实现航拍［１ ， 普通的４３３模块无法实现大规模的数据传输，我们决 定采用ＴＳ８３２大功率无线图传模块，结合遥控器进行 航拍数据传输。实验证明，传输速度良好，航拍功能 完美实现。当然，我们可以拓展遥控器的电路模块， 使用ＢＡＳＹＳ３采集图像信号进行数据处理。 ３．３性能测试 ８０ ｍ ４８０ｐ ５ ｋｇ １００ ｍ 使用成品遥控器时，航拍最大传输距离 ４ 总结 自行制作的遥控器基本可以替代商品遥控．实 现控制四轴飞行的功能。自制遥控器在短距离内可 以完全取代一个６通遥控器的功能。同时地面站实 现了语音控制和实时航拍功能。且能在屏幕上实时 图８为四轴飞行器及遥控装置。 显示ＧＰＳ等监测数据。 由此我们可见．自制遥控不仅可以实现多种功 能，而且由于模块均为自行驱动，可以实现数据采集 的功能，可以把飞行器应用到数据分析领域，结合 ＭＡＴＬＡＢ软件可以实现探测功能。 自制遥控的缺点在于控制距离比商品遥控略短， 能是因为采用的４３３模块功率略小（５０ ｍＷ），目前准 备采用修复的方法是使用大功率的４３３模块替代 （１００ ｍＷ），或者采取新的串口透传模块进行无线 通讯。 图８四轴飞行器及遥控装置 由此可见，自制遥控可以采用ＢＡＳＹＳ３作为主