基于HOLTEK MCU的無人機PC操作平臺

重慶郵電大學通信與信息工程學院 朱 芹

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司 屈 剛

1.引言

隨著技術的發展，遙控飛機不僅成為玩具市場中的主導地位，在軍事和民用上的應用也越來越廣泛。軍事上，可作為指戰員的“千里眼，順風耳”；民用上，可作為電信，環保，公安等部門的有力助手。因此將計算機的多功能與玩具模型相結合的創作構想是前所未有的，通過計算機對其進行操作，利用計算機豐富的資源，使飛機航模的操作更加具有挑戰性，同時也具有一個廣闊的開拓空間。

2.總體設計

本文以HOLTEK 46系列MCU為主控單片機，配合RF模塊CC1100以及其它外圍器件（三軸陀螺儀，三軸加速度傳感器，自動導航模塊），通過上位機無線遙控航模飛機的接收控制電路。通過相關控制，能接收無線遙控發射機的控制指令，使航模飛機既能通過上位機手工控制不同的速度前進，升降，轉彎，拍照，攝像等操作，同時可以通過飛機傳回的數據有效的在模擬3D界面中顯示以便進行更好的操作。

3.工作原理

3.1 總體結構

該系統主要由兩個系統構成：地面控制系統、空中執行系統。通過地面控制系統發送控制命令給空中執行系統來控制航模在空中的飛行姿態，同時空中執行系統將飛行姿態實時的反饋給地面控制系統。

地面控制系統通過USB與上位機通信，上位機發送相應編碼給單片機。單片機通過解碼后得出相關操作命令，再進行二次編碼。地面控制系統將編碼通過無線模塊發送給空中執行系統。空中執行系統的接收模塊接收地面控制系統的編碼，空中執行系統的MCU對接收模塊接收的編碼進行解碼，根據解碼所得命令對飛機的動力及控制系統進行相應的操作，同時將飛機的實時姿態進行編碼，并將編碼通過無線模塊傳送給地面控制系統，地面的控制系統通過解碼就可以在上位機的屏幕上顯示飛機的飛行姿態。使用全雙工的通信方式使得地面控制系統可以實時的監控飛機的飛行姿態，通過觀察上位機屏幕上飛機的飛行姿態就可以對飛機進行精準的遙控。

為了使上位機能夠更加穩定而精確的無線遙控航模飛機，本系統選擇了合理的RF模塊以及一套完整的的編碼協議，系統結構見圖1。

圖1 系統結構圖

3.2 地面控制系統的無線模塊

地面控制系統的主控芯片是HOLTEK MCU，通過串口方式與上位機通信。不同的操作命令通過串行通信發送給MCU，MCU對接收的指令進行相應的編碼并將編碼發送給無線模塊，最終無線模塊將編碼以高頻電磁波的形式發送給控制執行系統的無線模塊。

地面控制系統的無線模塊采用改進后的CC1100模塊以及相應的PCB電路。工作在全雙工模式下，使其誤碼率保持在1%以下。關于CC1100模塊，在無線全雙工通信模式下，理論傳輸距離為500米，通過改進之后可使其通信距離達到2000米。針對數據量傳輸問題，CC1100具備FIFO型收發緩存器，理論上可以存儲64字節的數據量。其主要過程為：上位機發送指令→單片機解析上位機的指令→單片機編碼發送給發射機發射→調制→發射機發射編碼。

3.3 空中執行系統的無線模塊

空中執行系統的無線模塊將接收到的編碼送給MCU，校驗成功后，解碼。然后根據所得的指令來控制各IO口產生相應的波形，來控制航模飛機的動力及控制部件。控制電路需要對電機，舵機，電調進行控制，編碼和解碼統一由HOLTEK 46系列主控單片機來完成。其流程為：接收機解調編碼→接收機將解調編碼串行發送至單片機→單片機讀取校驗位→單片機解碼并行輸出相應控制信號→各執行結構完成相應功能。

3.4 操作平臺

上位機作為終端控制平臺，采用VB編寫的串口通信軟件。同時使用VB高級語言設計所創建的3D平面，空中無線模塊將采集數據發送給控制平臺上，通過3D平面上顯示飛機飛行的實時姿態，達實時監控飛機飛行的目的，PC操作界面見圖2。

圖2 PC操作界面

圖3 PWM波整形電路

圖4 地面無線發射

圖5 空中無線接收

采用上位機作為操作平臺，可以實現更多的功能。不僅可以使操作更加靈活方便，還可以實現對無人機的多樣化操作并通過上位機的屏幕觀測飛機的飛行姿態。本文的無線模塊采用的是443MHz的電磁波進行通信的，由此可以創建一個操作平臺—具有一定標準協議，包含通信協議，指令代碼操作協議的平臺。使得多個人可同時控制飛機飛行，如飛機的正副駕駛員都可以對飛機的飛行進行控制。

4.作品設計

4.1 硬件設計

4.1.1 系統描述

1）發射機：電源模塊、無線通信模塊、電機控制模塊、單片機控制模塊。上位機與單片機串口相連，單片機I/O口與無線模塊(RF)導線相連。

2）無人機（接收機）：電源模塊、無線通信模塊、電機控制模塊、單片機控制模塊。

4.1.2 模塊化描述

1）電源模塊：發射機直接由上位機usb供電，采用LM1117T芯片將usb的5伏電壓轉換為3.3伏給cc1100無線模塊供電。單獨由一塊9伏電池經LM2940-5穩壓成5伏電壓為單片機供電，12伏蓄電池經電調變換為三相交流電驅動飛機發動機，電調的5伏輸出端為舵機供電。

2）無線通信模塊：此模塊采用cc1100無線模塊，將單工通信模式改為全雙工通信模式。

3）電機控制模塊：以電調為核心，單片機輸出PWM波控制電調輸出的交流電壓，交流電壓的大小控制飛機發動機的轉速。

4）單片機主控電路：單片機的PWM控制信號經過TLP521光電隔離器件傳到受控端，受控端通過HEF40106芯片將波形整形成規則的矩形波控制舵機的轉角和電調輸出電壓，如圖3。

單片機與無線模塊(RF)導線相連，電調信號線，舵機信號線分別與單片機I/O口相連。11.1V鋰電池給電調供電，電調輸出5V穩定直流一部分給單片機供電，另一部分轉換成3.3V穩定直流給接收機供電。

4.2 軟件設計

軟件設計同樣也分為兩部分：地面無線發射，空中無線接收，如圖4、圖5。

5.結束語

本文HOLTEK MCU單片機所設計的的無人機PC操作平臺，可通過鍵盤，鼠標已經串口連接的手柄多種方式控制無人機，同時通過全雙工無線通信，將無人機上所采集的數據發送到控制平臺上，通過控制平臺所模擬的3D界面進行顯示，使操作者更加形象化的觀測飛機飛行姿態。該設計實現了數據的實時傳輸，使用全雙工的通信方式實時監控無人機的飛行姿態，采用遠距離無線遙控技術實現操作者遠距離遙控。該設計所創建的平臺具有很好的可擴展性，可利用現在發達的計算機網絡，實現遠程的無線遙控等功能。

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