本發(fā)明涉及一種固定翼航?？刂葡到y(tǒng)，特別是涉及一種基于半雙工通信方式的固定翼航?？刂葡到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)固定翼航?？刂葡到y(tǒng)在單工通信方面也就是從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸方面做的比較成熟，但一般無法完成從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，這樣就不能及時(shí)獲取固定翼飛行器在飛行過程中的參數(shù)等信息，這給固定翼飛行器飛行姿態(tài)等問題的研究帶來了不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有單工固定翼飛行器控制系統(tǒng)不能完成從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的不足，本發(fā)明提供一種雙工傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)，接收機(jī)兩大部分組成。其中發(fā)射機(jī)中包含微控制器MCU最小系統(tǒng)、2.4g無線射頻、ADC通道采樣接口、蜂鳴器、電源管理、按鍵開關(guān)輸入、ISP自動(dòng)程序自動(dòng)下載、SWD內(nèi)核調(diào)試接口等模塊；

接收機(jī)中包含微控制器MCU最小系統(tǒng)、2.4g無線射頻、PWM輸出接口、電源管理、姿態(tài)傳感器、SWD內(nèi)核調(diào)試接口等模塊。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種基于半雙工通信方式的固定翼航?？刂葡到y(tǒng)，其特點(diǎn)如下：

在發(fā)射機(jī)中，微控制器MCU用于遙控器搖桿電位器電壓采樣、采樣數(shù)據(jù)的處理、讀取用戶輸入數(shù)據(jù)、控制SPI總線發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、控制板載其他外設(shè)如LED和蜂鳴器。微控制器MCU所運(yùn)行的指令通過SWD接口或者ISP下載燒錄進(jìn)MCU的ROM中。

在接收機(jī)中，微控制器MCU用于輸出PWM信號(驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī))、控制SPI總線接收/發(fā)送數(shù)據(jù)、控制I2C總線讀取歐拉角、控制板載其他外設(shè)如LED。微控制器MCU所運(yùn)行的指令通過SWD接口燒錄進(jìn)MCU的ROM中。

本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有單工控制系統(tǒng)相比，此雙工控制系統(tǒng)具有成本低廉、質(zhì)量體積小、研發(fā)與制造周期短、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是發(fā)射機(jī)部分的系統(tǒng)框圖；

圖2是接收機(jī)部分的系統(tǒng)框圖；

圖3是發(fā)射機(jī)PCB；

圖4是接收機(jī)PCB；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

一、系統(tǒng)的工作過程：

(1)發(fā)射機(jī)工作過程：參照圖1為發(fā)射機(jī)的原理框圖。發(fā)射機(jī)上電后，MCU的內(nèi)核開始配置所需要的外設(shè)，在發(fā)射機(jī)上需要的外設(shè)有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、SPI控制器、NVIC的IO口外部中斷、GPIO等。在配置ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的同時(shí)，配置了DMAC直接存儲器訪問控制器，DMA的使用使得ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸速率大大提升，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。外設(shè)配置完成后，開始配置2.4g無線射頻模塊，該模塊可以每次最多發(fā)送32字節(jié)的數(shù)據(jù)包。各種初始化配置完成后，內(nèi)核進(jìn)入while的死循環(huán)，準(zhǔn)備按照下述過程完成發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)功能。

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器開始采用掃描方式采集所有通道(6個(gè)通道，即圖1中的通道n總數(shù)為6)上電位器(6個(gè)通道上的操作桿和操作按鈕本質(zhì)上都是電位器)的電壓模擬量，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。為了降低MCU內(nèi)核負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用DMA控制器將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絉AM中，DMA傳輸完成后，傳輸完成中斷標(biāo)志置位，向MCU內(nèi)核發(fā)出中斷請求，MCU內(nèi)核響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中讀取ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，完成一次通道數(shù)據(jù)的采集。

掃描按鍵輸入，按鍵的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為9*9矩陣鍵盤，其中有一個(gè)為備用，另外剩下的8個(gè)位操縱桿的微調(diào)，分別是：油門增大/減小微調(diào)、副翼向左/向右微調(diào)、升降舵向上/向下微調(diào)、方向舵向左/向右微調(diào)，讀取這些按鍵的鍵值方可確定搖桿的微調(diào)值，以變在下面的數(shù)據(jù)處理中使用。

開關(guān)掃描輸入，根據(jù)開關(guān)掃描的值可以確定每個(gè)通道(6個(gè))是否需要反向，以便糾正在實(shí)際安裝本發(fā)明時(shí)容易遇到的諸如油門最高點(diǎn)不正確或者舵機(jī)搖臂擺動(dòng)方向不正確的問題。

數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過ADC采集模擬通道數(shù)據(jù)(12位ADC會(huì)得到0到4095之間的某個(gè)值)確定了搖桿的擺動(dòng)幅度和旋鈕的旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過讀取微調(diào)按鍵鍵值確定了搖桿通道的微調(diào)值，經(jīng)過讀取開關(guān)輸入，確定了每個(gè)通道是否需要反向。此后就結(jié)合這三者的值來處理每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為1000到2000之間(原因是接收機(jī)輸出的PWM信號的高電平持續(xù)時(shí)間為1000us到2000us)的某個(gè)值。

數(shù)據(jù)處理完成，得到6個(gè)1000到2000之間的值，并存放在u16類型的數(shù)組中，準(zhǔn)備發(fā)送，由于發(fā)射單元的寄存器為8位，所以就必須將數(shù)據(jù)拆分發(fā)送，發(fā)送順序如下：副翼數(shù)據(jù)高八位、副翼數(shù)據(jù)低八位、升降舵數(shù)據(jù)高八位、升降舵數(shù)據(jù)低八位、油門數(shù)據(jù)高八位、油門數(shù)據(jù)低八位、方向舵數(shù)據(jù)高八位、方向舵數(shù)據(jù)低八位、CH5數(shù)據(jù)高八位、CH5數(shù)據(jù)低八位、CH6數(shù)據(jù)高八位、CH6數(shù)據(jù)低八位。設(shè)置無線射頻模塊為發(fā)送模式，MCU的SPI控制器傳輸數(shù)據(jù)給2.4g無線射頻模塊，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

發(fā)送完成后立即將發(fā)射機(jī)設(shè)置為接收模式，等待150ms，此段時(shí)間用于等待接收機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，因?yàn)榍懊娴臄?shù)據(jù)發(fā)送是從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，而此150ms用于接收從接收機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，這兩者共同實(shí)現(xiàn)了雙工通信，具體過程在接收機(jī)實(shí)施方式中說明。

(2)接收機(jī)工作過程：參照圖2為接收機(jī)的原理框圖。接收機(jī)上電后，MCU的內(nèi)核開始配置所需要的外設(shè)，在接收機(jī)上需要的外設(shè)有TIM定時(shí)器、I2C控制器、SPI控制器、GPIO等。其中定時(shí)器配置為輸出比較，外設(shè)配置完成后，定時(shí)器的輸出通道便可輸出周期(固定)為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間(可變)為1ms的PWM信號，此PWM信號，對應(yīng)油門的最低位置或者舵機(jī)的初始角度，并且信號中的時(shí)間最小變化值為1us。最后配置姿態(tài)傳感器和2.4g無線射頻模塊，該模塊可以每次最多發(fā)送32字節(jié)的數(shù)據(jù)包。各種初始化配置完成后，內(nèi)核進(jìn)入while的死循環(huán)，準(zhǔn)備按照下述過程完成接收機(jī)的系統(tǒng)功能。

通過SPI總線輪詢射頻模塊中STATUS寄存器的bit6位，當(dāng)此位置位時(shí)，表明接收到了數(shù)據(jù)，此時(shí)便可以在RXFIFO接收FIFO中讀取數(shù)據(jù)，由于在發(fā)射端將數(shù)據(jù)進(jìn)行了拆分，故接收到的數(shù)據(jù)是拆分的，需要按照發(fā)射機(jī)拆分的方式重新組合，接收到的數(shù)據(jù)的順序和發(fā)射機(jī)發(fā)射的順序相同。

由于油門和舵機(jī)PWM信號周期都固定為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間在1ms～2ms的范圍內(nèi)變化，而發(fā)射端對數(shù)據(jù)做了提前處理：將通道的ADC數(shù)據(jù)結(jié)合微調(diào)和開關(guān)輸入值轉(zhuǎn)換為1000到2000之間。這樣就可以直接在接收端改變定時(shí)器的CCR輸出比較寄存器的值，如CCR＝1500時(shí)，PWM的周期為20ms，高電平持續(xù)時(shí)間為1.5ms。通過這種設(shè)置，方可改變油門大小和舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，控制飛機(jī)螺旋槳拉力和舵的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而控制飛機(jī)姿態(tài)。

通過I2C總線讀取姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過配置的姿態(tài)傳感器會(huì)利用內(nèi)部集成的DSP自行解算數(shù)據(jù)，這樣可以非常方便的獲取到飛機(jī)的歐拉角：橫滾角，俯仰角，偏航角。大大降低了MCU的負(fù)擔(dān)，提高了接收機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

完成一次數(shù)據(jù)接收后立即設(shè)置無線射頻模塊為發(fā)射模式，將獲取到的歐拉角數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送回給發(fā)射機(jī)，供后期實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)射機(jī)在發(fā)送完一次數(shù)據(jù)后，會(huì)等待150ms，用來接收接收機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，這限制了接收機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后必須在150ms之內(nèi)重新設(shè)置接收機(jī)為接收模式，以便能繼續(xù)接受發(fā)射機(jī)下次的數(shù)據(jù)包。這種分時(shí)雙向傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)的控制信號以控制飛機(jī)飛行姿態(tài)和發(fā)射機(jī)接收接收機(jī)的飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，完成了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)雙工通信。

二、系統(tǒng)硬件說明：

(1)發(fā)射機(jī)：

參照圖3為發(fā)射機(jī)PCB，各部分說明見圖3中的標(biāo)注，對此PCB相關(guān)參數(shù)說明如下：

PCB尺寸：100mm*80mm；

PCB板厚：1.6mm；

電氣間距：8mil；

信號線線寬：

地線線寬：12mil～20mil；

VCC3.3網(wǎng)絡(luò)線寬：10mil；

VCC7.4網(wǎng)絡(luò)線寬：18mil；

NetJ2_1網(wǎng)絡(luò)線寬：18mil；

NetD3_1網(wǎng)絡(luò)線寬：18mil；

過孔直徑：內(nèi)徑：15mil，外徑：25mil；

SMDNeckDown：200％；

SolderMaskExpansion：4mil；

PasteMaskExpansion：0mil；

PCB孔大小約束：1mil～500mil；

PCB孔間距約束：10mil；

最小阻焊層間距：0mil；

最小絲印層與阻焊層間距：0mil；

最小絲印層間距：0mil；

NetAntennae容忍：0mil；

PCB元件間距：10mil。

(2)接收機(jī)：

參照圖4為接收機(jī)PCB，各部分說明見圖4中的標(biāo)注，對此PCB相關(guān)參數(shù)說明如下：

PCB尺寸：46mm*38mm；

PCB板厚：1.6mm；

電氣間距：7mil；

信號線線寬：7mil；

地線線寬：11mil；

VCC3.3網(wǎng)絡(luò)線寬：10mil；

VCC5網(wǎng)絡(luò)線寬：11mil；

過孔直徑：內(nèi)徑：13mil，外徑：23mil；

SMDNeckDown：200％；

SolderMaskExpansion：4mil；

PasteMaskExpansion：0mil；

PCB孔大小約束：1mil～500mil；

PCB孔間距約束：10mil；

最小阻焊層間距：0mil；

最小絲印層與阻焊層間距：0mil；

最小絲印層間距：0mil；

NetAntennae容忍：0mil；

PCB元件間距：10mil。

為了提高此雙工控制系統(tǒng)的可靠性，在選擇微控制器MCU芯片時(shí)，首先考慮的是芯片的操作溫度、性能、功耗是否滿足固定翼飛行器控制系統(tǒng)工作環(huán)境的要求。在選擇電容、電阻等器件時(shí)，要考慮降額因子，如電容的電壓和功耗降額，電阻的功率降額和電壓降額。因?yàn)楣潭ㄒ盹w行器的飛行環(huán)境的復(fù)雜性和一旦失控的嚴(yán)重后果，使得此套設(shè)備的可靠性就顯得尤為重要。

在選擇PCB上安裝的器件時(shí)，盡量選擇工業(yè)級以上的級別，這樣可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，并且PCB布線時(shí)的電磁兼容問題也是非常重要的，電磁兼容會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

本發(fā)明所述的固定翼飛行器控制系統(tǒng)在器件選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造階段充分考慮系統(tǒng)的可靠性，具有結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)雜度低、小體積、低功耗的特點(diǎn)，具有較高的可靠性和實(shí)用性。