無人機工作系統(tǒng)技術(shù)課件：無人機指揮控制通信系統(tǒng)

無人機遙控器1.學(xué)習(xí)無人機遙控器的種類。2.學(xué)習(xí)無人機無線電遙控器的兩種控制量。3.掌握無人機無線電遙控器的數(shù)據(jù)編碼格式。4.了解無人機遙控器不同的遙桿？知識目標(biāo)無人機遙控器01目前，無人機遙控器主要可以分為三大種類：手機或平板遙控、傳統(tǒng)遙桿遙控器、以及手環(huán)、語音控制等新型遙控。無人機遙控器無人機遙控器手機或平板遙控傳統(tǒng)搖桿遙控器語音控制手環(huán)、語音控制等一些新型的控制方式是無人機廠家為了使更多的消費者能簡單的操控?zé)o人機而研發(fā)的。在無人機遙控控制中，使用傳統(tǒng)的遙桿遙控器進行控制仍是主流，我們一般常用的為無線電遙控器。隨著科技的發(fā)展，為了追求更輕量化、更便捷的操作體驗，越來越多的無人機開始選擇使用手機或平板進行操控?zé)o人機。隨著科技的發(fā)展，為了追求更輕量化、更便捷的操作體驗，越來越多的無人機開始選擇使用手機或平板進行操控?zé)o人機。和傳統(tǒng)的遙控器相比，手機或平板遙控只需下載一個指定的APP便能在APP模擬的遙控界面進行對無人機的控制或者使用手機或平板自帶的傳感器進行體感操控，避免了需要攜帶外置遙控器的麻煩。但是由于手機或平板遙控多是采用的藍(lán)牙進行的連接，所以存在信號不穩(wěn)定、飛行距離短的缺點，很大的影響了操控的體驗感。并且，雖然手機或平板遙控操控較為方便，但是相對的操控精度較低，功能較少，所以一般只應(yīng)用在微型無人機上。手機或平板遙控在無人機遙控控制中，使用傳統(tǒng)的遙桿遙控器進行控制仍是主流，我們一般常用的為無線電遙控器。常用的無線電遙控系統(tǒng)一般分為發(fā)射和接收兩個部分，其原理為通過調(diào)制將編碼信息加載于高頻載波信號之上，生成調(diào)制波發(fā)射出去。當(dāng)無線電波通過空氣傳播到接收端，電波引起的電磁場變化又會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過解碼將信息從變化的電流中提取出來，就達(dá)到了信息傳遞的目的。解碼后的電信號直接驅(qū)動繼電器、電子開關(guān)等器件實現(xiàn)預(yù)定功能，遙控者按下不同的按鍵，生成不同的0和1交替的編碼信號，再用它去調(diào)制高頻載波（常用的頻率范圍是38kHz～50kHz），最后得到調(diào)制波。調(diào)制波實際上是編碼信號和載波信號相“與”的結(jié)果。相比其他控制而言，雖然搖桿遙控器比較笨重，但搖桿遙控器的控制更精確，信號也更為穩(wěn)定，遙控距離更長。目前傳統(tǒng)的搖桿遙控器有些也加入了手機和平板來進行共同控制，搖桿遙控器進行功能控制，手機或平板進行數(shù)據(jù)顯示。傳統(tǒng)搖桿遙控器控制手環(huán)、語音控制等一些新型的控制方式是無人機廠家為了使更多的消費者能簡單的操控?zé)o人機而研發(fā)的，其通過簡化無人機的姿態(tài)控制，增加一鍵控制或通過傳感器進行體感操控?zé)o人機。這種新型的控制方式，雖然簡單便捷，但是由于目前技術(shù)的不夠成熟，也只出現(xiàn)在一些玩具無人機之上。手環(huán)、語音控制無線電遙控器的結(jié)構(gòu)02無線電遙控器結(jié)構(gòu)無線電遙控器我們也常稱為發(fā)射機，是通過數(shù)字比例無線電控制系統(tǒng)對無人機發(fā)送飛行指令的裝置?？刂屏鞒淌怯蛇b控器發(fā)出信號，相配對的接收機接收信號并傳遞給無人機飛控，飛控收到信號并處理后發(fā)出指令給執(zhí)行機構(gòu)等。遙控器結(jié)構(gòu)無線電遙控器的兩種控制量03在無線電遙控器中，硬件設(shè)備主要有兩種控制量，一種是模擬控制量，如遙桿、旋鈕等，另一種是開關(guān)控制量，如二擋階躍開關(guān)、三擋階躍開關(guān)等?？刂屏侩A躍開關(guān)遙桿無線電遙控器常用的遙桿04遙桿無人機的遙控器遙桿大致分兩種，一種為機械電位器搖桿，另外一種就是霍爾IC傳感搖桿。機械電位器遙桿的工作原理為：搖桿電位器在直流電路中作為電流調(diào)節(jié)使用時，將有電流通過搖桿電位器的滑動臂，此時由于陽極氧化的原因會導(dǎo)致電阻值異常增加。機械電位器遙桿存在反應(yīng)遲鈍、停留漂浮效果差，或成本高，體積大等缺點越來越難以滿足市場需要。

霍爾IC遙桿基本原理是通過位于遙控底端的磁場傳感器，檢測來自遙桿底部永磁鐵發(fā)出的在不同位置的磁場強度，從而計算得到當(dāng)前的搖桿位置。主要的好處就是可以將搖桿組件做得非常小，從而做出與無人機折疊小巧機身相匹配的折疊遙控器，方便攜帶。無線電遙控器的無線通信模塊05接收機無人機用的無線電遙控器我們通常稱為發(fā)射機，因為它會把飛手的操控動作轉(zhuǎn)換成無線電信號發(fā)射出去。同時，在無人機上都會配備一個負(fù)責(zé)接收的無線通信模塊，我們稱之為接收機，負(fù)責(zé)把接受到的無線電信號解調(diào)成飛控可以讀取的數(shù)字信號。學(xué)習(xí)任務(wù)二

無人機的數(shù)據(jù)鏈路1.學(xué)習(xí)無人機的常用頻率。2.學(xué)習(xí)無人機的常用天線。3.學(xué)習(xí)無人機上常用的通信裝置。4.思考數(shù)據(jù)鏈路還包含什么。知識目標(biāo)無人機的常用頻率01

根據(jù)最新我國工信部對無人駕駛航空器使用頻段進行規(guī)定，劃出840。5MHz-845MHz、1430MHz-1444MHz和2408MHz-2440MHz頻段用于無人駕駛航空器系統(tǒng)。1.840.5MHz-845MHz可用于無人駕駛航空器系統(tǒng)的上行遙控鏈路。其中，846-845MHz也可采用時分方式用于無人駕駛航空器系統(tǒng)的上行遙控和下行遙測鏈路。2.1430MHz-1444MHz頻段可用于無人駕駛航空器系統(tǒng)下行遙測與信息傳輸鏈路，其中，1430MHz-1438MHz頻段用于警用無人駕駛航空器和直升機視頻傳輸，其他無人駕駛航空器使用1438MHz-1444MHz頻段。3.2408MHz-2440MHz頻段可作為無人駕駛航空器系統(tǒng)上行遙控、下行遙測與信息傳輸鏈路的備份頻段。相關(guān)無線電臺站在該頻段工作時不得對其他合法無線電業(yè)務(wù)造成影響，也不能尋求無線電干擾保護。4.上述頻段的信道配置，所用無線電設(shè)備發(fā)射功率、無用發(fā)射限值和接收機的鄰道選擇性應(yīng)符合相關(guān)要求。5.頻率使用、無線電臺站設(shè)置和所用無線電發(fā)射設(shè)備應(yīng)符合國家無線電管理及無人駕駛航空器系統(tǒng)管理有關(guān)規(guī)定。頻段

無人機系統(tǒng)中的數(shù)傳電臺常用的頻段2.4GHz、900MHz、433MHz三種，而圖傳電臺常用的頻段為5.8GHz、2.4GHz、1.2GHz三種。無人機頻段天線的選擇02天線在無線電設(shè)備中，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。天線為發(fā)射機或接收機與傳播無線電波的媒質(zhì)之間提供所需要的耦合。天線和發(fā)射機、接收機一樣，也是無線電設(shè)備的一個重要組成部分。天線輻射的是無線電波，接收的也是無線電波，然而發(fā)射機通過饋線送入天線的并不是無線電波，接收天線也不能把無線電波直接經(jīng)饋線送入接收機，其中必須經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換過程。天線類型天線的種類有很多種，而我們無人機系統(tǒng)中所用的天線類型根據(jù)天線電磁波發(fā)射特點大致可分為全向天線、定向天線。全向-鞭狀天線定向-八木天線天線類型在使用中，根據(jù)用途的不同，所需要使用到的天線也不一樣，比如無線電遙控器經(jīng)常用到鞭狀天線，一般數(shù)傳電臺也會使用鞭狀天線，穿越型無人機的圖傳眼鏡會使用蘑菇頭狀天線等。名稱類型方向圖增益大小布置方式連接設(shè)備鞭狀天線全向蘋果型2-6DBI與通訊方向垂直連接遙控器、機載數(shù)傳蘑菇頭、三葉草、四葉草天線全向柿子餅型5-10DBI與通訊方向垂直機載圖傳、地面圖傳八木、平板、螺旋天線定向30度圓錐體方向8-18DBI與通訊方向同向遠(yuǎn)距離地面圖傳、數(shù)傳拋物型天線定向小范圍手電筒光型方向20DBI以上與通訊方向同向遠(yuǎn)距離地面圖傳、數(shù)傳無人機通信裝置03通信鏈路無人機通信鏈路的主要功能是建立一個空地雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，作為在無人機飛行過程中，連接飛行器平臺與地面指揮操控人員與設(shè)備的信息橋梁。其基本功能是傳遞地面遙控指令，采集接收無人機的飛行狀態(tài)信息以及傳感器的數(shù)據(jù)。一般數(shù)據(jù)鏈路會有兩條鏈路，上行數(shù)據(jù)鏈路主要包括地面控制站向無人機的飛控下達(dá)飛行指令、向?qū)Ш较到y(tǒng)下達(dá)航跡指令、向任務(wù)設(shè)備下達(dá)操作指令等，這些指令經(jīng)過壓縮加密后發(fā)往無人機；下行數(shù)據(jù)鏈路主要包括無人機向地面端傳輸實時飛行數(shù)據(jù)、任務(wù)設(shè)備拍攝的圖片、視頻數(shù)據(jù)等，同樣也需要經(jīng)過壓縮加密后傳給地面端。電臺數(shù)傳鏈路的傳輸裝置我們稱之為數(shù)傳電臺，它是飛控不可或缺的重要組成部分，數(shù)傳鏈路的性能也會直接影響無人機的性能。數(shù)傳電臺一般分為地面端和天空端兩部分，其中地面端用來連接地面站，天空端安裝在無人機上連接飛控。我們常用的無人機數(shù)傳電臺有2.4GHz、900MHz、433MHz三種頻段。常用電臺可靠地數(shù)據(jù)交換、高速率的數(shù)據(jù)傳輸是衡量一個數(shù)傳電臺的標(biāo)準(zhǔn)，但如何選擇合適的數(shù)傳電臺就需要比較很多的參數(shù)，如傳輸距離、所用頻段、功率等。型號工作電壓頻率功率通信距離重量數(shù)據(jù)格式DIGIXTendXT09-SI-NA3.3V902-928MHz1W64km15g透傳/mavlink/兼容APM/Pixhawk3DRRadio3.3V433/915MHz0.5W5km25g透傳/兼容APM/PixhawkP400-840-OEM3.3V840.5-845MHz2W100km6g透傳/mavlink/兼容APM/PixhawkLink8003.3V840.5-845MHz2W100km5g透傳/兼容APM/Pixhawk支持?jǐn)?shù)據(jù)格式定制P900-OEM3.3V902-928MHZ1W50km5g透傳/mavlink/兼容APM/PixhawkN920-OEM3.3V902-928MHZ1W60Km25g透傳/mavlink/兼容APM/Pixhawk常用電臺圖傳鏈路的傳輸裝置我們稱為圖傳電臺，如圖6-13所示，它是無人機獲得圖像的必要裝置，圖傳是一條下行鏈路，所以圖傳裝置一般只有一個天空端用來發(fā)射信息，一個接收端用來接收信息。但隨著技術(shù)的發(fā)展，人們把遙控器和接收裝置合為一體，并把接收機與圖傳裝置合為一體，就達(dá)到了只需一套圖傳裝置便能同時進行無人機的操控和圖像的接收，操作裝置大大簡化。波特率與COM口04波特率波特率(BaudRate)是指模擬線路信號的速率，也稱調(diào)制速率。以波形每秒的振蕩數(shù)來衡量。如果數(shù)據(jù)不壓縮，波特率等于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，如果數(shù)據(jù)進行了壓縮，那么每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率，使得交換使用波特和比特/秒偶爾會產(chǎn)生錯誤。波特率是指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示，其單位是波特（Baud）。在外界通訊設(shè)備的連接中，不同的設(shè)備會接在不同的COM口上，所以在我們使用數(shù)傳電臺的時候需要選擇電臺所接入的COM口才能進行通信。學(xué)習(xí)任務(wù)三

MissionPlanner地面站軟件1.學(xué)習(xí)并了解MissionPlanner無人機地面站軟件的使用。2.掌握MissionPlanner無人機地面站的飛行計劃區(qū)域認(rèn)識。3.了解MissionPlanner無人機地面站PID參數(shù)的調(diào)試。4.拓展研究其他類型的開源地面站軟件或商業(yè)地面站軟件。知識目標(biāo)開源軟件-MissonPlanne地面站01MissonPlanner簡稱MP，是在Windows平臺運行APM/PIXHawk飛控的一款專屬地面站。它也是一款完全開放源碼的地面站，具有多樣性、多能性、全面性和很強的用戶交互能力。MP地面站1.對APM/PIXHawk進行燒錄固件2.安裝、配置和優(yōu)化參數(shù)3.規(guī)劃航點任務(wù)，可以使用google地圖或者其它地圖4.下載和分析飛行日志5.使用專用的PC飛行模擬軟件接口，進行硬件模擬飛行6.連接一個遙測數(shù)傳，可以：實時監(jiān)控飛行器狀態(tài)記錄、查看和分析遙測日志在FPV中操作無人機（第一人稱視角)地面站界面飛行數(shù)據(jù)界面介紹02飛行數(shù)據(jù)界面飛行數(shù)據(jù)界面，我們把它分為三個區(qū)域，分別為飛行狀態(tài)區(qū)域、功能顯示區(qū)域和地圖顯示區(qū)域。地面站界面（1）我們先來講了解飛行狀態(tài)區(qū)域，飛行狀態(tài)區(qū)域顯示了很多的無人機在飛行中的姿態(tài)、速度、GPS、傳感器狀態(tài)等的信息，在飛行中我們可以依據(jù)飛行狀態(tài)區(qū)域的數(shù)據(jù)顯示來判斷無人機當(dāng)前的姿態(tài)和運行狀況。地面站界面（2）關(guān)于功能顯示區(qū)域，可以進行自定義設(shè)置頁面要顯示的功能區(qū)域，用戶可在功能菜單欄如圖6-62所示右鍵點擊，勾選“”將會彈出如圖6-63所示界面，點擊可以進行勾選或刪除相應(yīng)的顯示窗口。地面站界面對于本區(qū)域，我們主要介紹快速顯示窗口、動作控制窗口、起飛前檢查窗口和數(shù)據(jù)閃存日志窗口。在快速顯示窗口中，如圖6-64所示，我們可以看到界面中主要顯示了高度、地速、航點距離、偏航、升降速度和DistToMav（無人機離家的距離）六個參數(shù)信息。地面站界面此時如果我們需要顯示更多的無人機參數(shù)，可以在顯示欄點擊鼠標(biāo)右鍵設(shè)置要顯示的行和列數(shù)。地面站界面然后雙擊想要設(shè)置的顯示區(qū)域，將會彈出如圖所示區(qū)域，選擇想要顯示的無人機參數(shù)即可。地面站界面動作控制區(qū)域如圖所示，主要進行對無人機進行實時的模式切換、航點切換、任務(wù)控制、動作變化、高度、速度、航點半徑的改變等控制。地面站界面動作控制欄中，在進行動作命令的切換時，需要先點擊要切換的命令，命令界面如圖所示，然后點擊執(zhí)行動作才能開始執(zhí)行命令，如果無人機還未起飛，需要先進行解鎖設(shè)置。注意：無人機先執(zhí)行命令后解鎖容易出現(xiàn)解鎖即起飛的情況，要特別注意安全。航點設(shè)置設(shè)置航點功能可以讓無人機跳過接下來的航線直接前往某一航點，并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)命令，如圖所示。設(shè)置航點設(shè)置模式功能可以進行更改無人機當(dāng)前的飛行模式，如圖所示。設(shè)置模式設(shè)置掛載功能可以通過更改命令進行不同的掛載設(shè)置，如圖所示。設(shè)置掛載ChangeSpeed可以進行當(dāng)前巡航速度的更改控制，如圖所示。設(shè)置巡航速度ChangeAlt可以進行當(dāng)前高度的更改控制，如圖所示。設(shè)置當(dāng)前高度SetLoiterRad可以進行當(dāng)前無人機航點半徑的修改，如圖所示。設(shè)置當(dāng)前航點半徑地面站界面地圖顯示區(qū)域如圖所示，可以顯示無人機的當(dāng)前指向、直達(dá)當(dāng)前航點方向、目標(biāo)指向、GPS追蹤指向，這些會在無人機飛行時，實時顯示在無人機的位置上，以供觀察無人機飛行時運動軌跡和預(yù)判是否運行正常。飛行計劃界面介紹03飛行計劃界面MP地面站非線性計劃界面如圖6-78所示，共包括了航線規(guī)劃區(qū)、航點命令區(qū)和航線功能區(qū)。飛行計劃界面（1）航線規(guī)劃區(qū)域位于飛行計劃界面的中心位置，占據(jù)整個界面的80%，當(dāng)然，區(qū)域的范圍是可以調(diào)整的。在航線規(guī)劃區(qū)域內(nèi)點擊鼠標(biāo)左鍵，便會生成航點，多個點組合起來的連線，便是航線。在航線規(guī)劃區(qū)域內(nèi)點擊右鍵，將出現(xiàn)功能選項如圖所示，可以選擇插入航點、設(shè)定多邊形航線、清除任務(wù)等功能。地面站界面（2）在航線規(guī)劃區(qū)域的左上方如圖6-80所示，顯示航線的總長、與上一點的距離和角度以及距離家的距離。地面站界面（3）在航線規(guī)劃區(qū)域下方是航點命令設(shè)置區(qū)如圖6-81所示，在航點命令區(qū)可以為每一個航點設(shè)置動作命令、高度等。航點命令區(qū)域上部能進行航線的航點半徑、盤旋半徑（多旋翼無此項設(shè)置）和默認(rèn)航線高度設(shè)置。地面站界面（5）在航線規(guī)劃區(qū)域下部，菜單欄分別是航點序號、航點命令、命令值、經(jīng)緯度、航點高度、刪除航點、移動航點、坡度。角度、距離、方位。通過設(shè)置這些參數(shù)，對每個航點進行規(guī)劃，才能使我們的無人機飛行的安全、穩(wěn)定。（6）在航線中，航點的命令分為導(dǎo)航命令和條件命令。導(dǎo)航命令用于控制無人機的運動，包括起飛，到和繞過航路點以及著陸；條件命令控制DO命令的執(zhí)行。例如，條件命令可以阻止基于時間延遲的DO命令執(zhí)行，直到無人機處于某個高度或距下一個目標(biāo)位置指定距離為止。我們對兩種命令分別講解一些。導(dǎo)航命令導(dǎo)航命令：（1）WAYPOINT：導(dǎo)航到指定位置，可以理解為到達(dá)這里。（2）TAKEOFF:起飛，應(yīng)該為航線中的第一個命令。（3）LOITER_UNLIM:不限時懸停在指定位置（在此位置盤旋）。（4）LOITER_TURNS：在指定的位置盤旋（圈出）指定的圈數(shù)。（5）LOITER_TIME：在指定的位置懸停（盤旋）指定時間。（6）RETURN_TO_LAUNCH:返回家的位置。（7）LAND：在該航點位置降落。（8）SPLINE_WAYPOINT：使用樣條路徑導(dǎo)航到目標(biāo)位置。（9）GUIDED_ENABLE:啟用GUIDED模式可將控制權(quán)移交給外部控制器。注意：在命令中，導(dǎo)航命令具有最高優(yōu)先級，加載導(dǎo)航命令是如果存在尚未執(zhí)行的條件命令都將被跳過。條件命令條件命令：（1）DO_JUMP:跳轉(zhuǎn)到任務(wù)列表中的指定命令?？梢栽诶^續(xù)執(zhí)行任務(wù)之前將跳躍命令重復(fù)指定的次數(shù)，也可以無限期重復(fù)該跳躍命令。（2）MAV_CMD_CONDITION_DELAY

：到達(dá)航路點后，將下一個條件“

DO”命令的執(zhí)行延遲指定的秒數(shù)（例如MAV_CMD_DO_SET_ROI）。（3）MAV_CMD_CONDITION_DISTANCE：延遲下一個“DO”命令的啟動，直到無人機在下一個航點的指定米數(shù)之內(nèi)。（4）DO_CHANGE_SPEED：更改無人機的目標(biāo)水平速度和/或油門。更改將一直使用，直到再次明確更改或重新啟動設(shè)備為止。（5）DO_SET_HOME：將原位置設(shè)置為當(dāng)前位置或命令中指定的位置。對于SITL工作，此處的高度輸入需要參考絕對高度，并考慮SRTM高度。（5）MAV_CMD_DO_SET_CAM_TRIGG_DIST：以固定的距離間隔觸發(fā)相機快門。（6）DO_PARACHUTE：觸發(fā)降落傘的任務(wù)命令。地面站界面（4）航線規(guī)劃區(qū)域右方一側(cè)是航線功能區(qū)，如圖6-82所示。在此界面最上方可以調(diào)整地圖坐標(biāo)信息的顯示格式和地圖的顯示樣式；中部是航點文件加載區(qū)，可以添加提前畫好的航點數(shù)據(jù)，也可以保存目前的航點文件；下部主要進行航點的重新讀取和把航點寫入到飛控中，在起始位置處可以通過直接填寫經(jīng)緯度進行設(shè)置起始點。初始設(shè)置區(qū)域04初始設(shè)置區(qū)域點擊初始設(shè)置選項，即進入到無人機的初始設(shè)置功能界面如圖所示，左邊區(qū)域為功能選項區(qū)，可以進行選擇安裝固件、必要的硬件設(shè)置、可選的硬件設(shè)置以及遙測數(shù)據(jù)設(shè)置；右