基于XBee通信技术的无人机遥测系统设计.pdf

第 14 期2023 年 7 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.14July,2023作者简介:李常磊(1989),男,山东菏泽人,工程师,硕士;研究方向:无人机装备质量控制。基于 XBee 通信技术的无人机遥测系统设计李常磊,王俭臣(驻西安地区第九军代室,陕西 西安 710064)摘要:传感器和先进控制系统的不断发展,极大地促进了无人机在不同领域的应用。对飞行参数的数据进行传输与分析,有助于实时掌握无人机的运行状态。为此,文章开发了一种新的无人机遥测系统,该系统将 915 MHz 的 XBee Pro S3B 模块用于机载到地面站的数据通信,并结合不同的传感器实现对无人机海拔高度、位置、电池电压、电机转速等数据的实时检测与传输。在实验中,对该遥测系统进行了实际飞行试验,实验结果验证了所设计系统的有效性。关键词:无人机;遥测系统;XBee 模块;无线通信中图分类号:TP732;TN99 文献标志码:A0 引言 传统的无人机完全由人工遥控的,但随着相关技术的日趋成熟,依靠先进的传感器、嵌入式计算机和人工智能系统,显著提升了无人机的自主程度。具有云台的无人机,如大疆幻影 IV Pro 及 Skydio R1,已实现了障碍物检测、躲避、自动着陆等功能1。此外,随着配备摄像、垂直起降等功能的普及,无人机已被广泛应用于媒体、监视、搜索和救援等不同领域。遥测系统是指具有对一定距离的被测对象的某些参数进行测量、传输和处理功能的系统。通过测量无人机在飞行中的参数,并对数据进行记录和发送,有利于对无人机进行实时监控。本文将基于 XBee 通信技术设计一套高效的无人机遥测系统。1 遥测系统架构设计 在遥测系统设计过程中,需要一个开源的微控制器,以便根据传感器的要求对所需的采样率进行编程。本 文 采 用 了 基 于 ATmega328P 的 微 控 制 器Arduino Uno,该控制器的 IDE 界面有助于用户快速完成电路设计,并确定用于输入和输出数据引脚2。此外,在设计的遥测系统中选择 XBee-PRO 作为射频模块,该模块采用 802.15.4、多点和 Digi 无线网络协议,具有低功耗和大容量的特点。本文设计的遥测系统的信号流,如图 1 所示。图 1 遥测系统的信号流 开发遥测系统的主要挑战是在保持系统低功耗的同时,依然具有较高的灵活性来测量所需参数并将其无损地传输到地面站3。为了保持地面站和无人机的正常通信,图 1 中的两个 XBee 的相关参数设置应相同。将信号发送端设置为协调器,接收端设置为接收器。协调器将与无人机上的 Arduino 放置在一起;接收器将位于地面站,并使用 XCTU 软件完成数据接收与显示。所设计系统的真实模型如图 2 所示。23第 14 期2023 年 7 月无线互联科技智能控制No.14July,2023图 2 遥测系统真实模型2 遥测系统传感器及地面站设计2.1 传感器和信号调节 遥测系统设计架构主要包括测量无人机基本参数所需的传感器和通过 XBee PRO S3B 模块传输数据的串行通信模块。需要采集的参数包括海拔高度、位置、电池电压、电机转速和执行器的温度。XBee shield 无线数据传输载板用于连接 XBee S3B 模块到 Arduino,能够将 XBee 引脚固定在一个焊锡板上,并提供数字 27 引脚和模拟输入。当跳线在 USB 位置时,XBee 模块的 DOUT 引脚被连接到FTDI 芯片的 RX 引脚,而 XBee 模块的 DIN 则被连接到 FTDI 芯片的 TX 引脚4。XBee-PRO S3B 模块允许以 200 kbps 的射频数据率进行 6 km 范围的无线通信。它有一个 2.1 dB的 RPSMA 连接器偶极天线。其中,无线电模块设备包括:微控制器 EFM32G230F128、低功耗射频收发器ADF702 和射频功率放大器。采用 MPL315A2 作为提供海拔高度的测高仪,它是一个带有 I2C 接口的 MEMS 压力传感器,其分辨率为 1.5 Pa,即 0.3 m 高的分辨率。该传感器使用 SDA和 SCL 完成数据传输。将其连接到微控制器 V+,并将其 VDD 和 GND 引脚接地。由于采用了 UNO,SCL到 I2C 时钟模拟连接引脚 5,SDA 到 I2C 数据模拟连接引脚 4。将 MPL315A2 库安装到 Arduino IDE 中,以便从传感器中提取数据。为了定位无人机在空间中的位置,将遥测系统与北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)传感器连接,以提供实时的经纬度与方位数据。在所设计的系统中,使用带有内置罗盘模块的高精度BDS 模块,该模块具有较高的灵敏度,并具有陶瓷贴片天线的有源电路,更新速率为 5 Hz,航向精度为 0.3。为了使电机具有高效的性能,需要对其工作进行分析。在无人机中使用了预测性维护设置,并使用了温度、转速等传感器来记录飞行中的电机性能。同时,采用 LM393 红外传感器,获取飞行中电机的转速数据。红外线被连接到微控制器的电源和一个数字引脚上,以获取传感器的数据。它的工作原理是检测螺旋桨旋转中同一点之间的时间差。此外,转速数据被记录在地面站进行分析。电池的电压由无人机到地面站的分压器电路决定。这有助于提高飞行性能和续航能力。它也可以作为故障安全参数,一旦电池电压低于极限值,便向地面站发出警告。2.2 地面站设置 地面站有一个安装在 XBee shield 上的接收器,通过 USB 与计算机连接,并通过 XCTU 和 Coolterm 等软件用于显示数据。(1)XCTU 软件。XCTU 是一个免费的多阶段应用程序,旨在使开发人员能够通过易于使用的图形界面与射频模块关联。它集成了新的工具,使 XBee 的设置、配置和测试变得更加简单。XCTU 包含了用户快速使用 XBee 所需的大部分工具。需要注意的是,在 XCTU 中必须在模块设置部分设置默认值。XCTU能够显示文本数据和十六进制数据。(2)Coolterm 软件。Coolterm 简单串口终端应用(无终端仿真),需要与连接串口的硬件交换数据。接收到的数据将显示在软件屏幕上,并提供数据记录和存储能力。3 实验验证 对该遥测系统进行了实际飞行试验,并将接收到的数 据 显 示 在 屏 幕 上,其 中,波 特 率 为 9 600。Coolterm 软件的结果如图 3 所示。图 3 在 Coolterm 软件中的结果通过该软件可以处理的最大数据速率为每秒 20个数据,这样就可以不间断地显示数据。所获得的数据响应结果,如表 1 所示。33第 14 期2023 年 7 月无线互联科技智能控制No.14July,2023表 1 地面站数据记录高度(测高仪)/m高度(BDS)/m温度/纬度/经度/rh-1转速/rh-1104.69104.6832.2837.517 196112.329 6838 236104.68104.6832.2837.517 426112.328 4218 254104.25104.2532.2837.516 834112.326 2798 236104.82104.8432.3737.514 876112.327 6828 237104.88104.8832.3737.514 361112.327 8158 246104.75104.7432.3737.518 747112.322 8348 242105.41105.4132.3737.517 465112.325 4838 242105.13105.1332.4137.514 974112.329 8498 237104.88104.9032.4137.512 468112.322 6528 236105.26105.2632.4137.514 743112.325 4188 239105.71105.7132.3937.514 642112.329 5818 247 无人机的当前高度是由作为主要传感器的测高仪获得的,也可从 BDS 获得。通过比较这两组数据可以发现,两个传感器的数据准确性相似。此外,通过软件中显示的数据,也验证了设计系统的有效性。4 结语 本文主要实现了基于 XBee 通信技术的无人机遥测系统设计,机载 XBee Pro S3B 可以通过接收来自传感器的数据与地面站的其他 XBee 模块通信,速率更快,数据丢失最小,范围大,能够实现 BDS、测高仪等传感器数据的实时传输。可以得出结论:XBee Pro S3B 模块可以有效地用于遥测,可以记录飞行路径的无人机参数。参考文献1刘晨熙,马睿,彭木根.无人机通信感知一体化:架构、技术与展望J.电信科学,2023(2):1-9.2张永生.遥感系统分辨率的辨析与评测J.遥感信息,2022(1):1-7.3李德仁,李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景J.武汉大学学报(信息科学版),2014(5):505-513.4陈舫.基于 XBee 通信模块的多四旋翼无人机编队控制的设计与实现D.合肥:中国科学技术大学,2019.(编辑 姚 鑫)Design of UAV telemetry system based on XBee communication technologyLi Changlei Wang Jianchen Ninth Military Representative Office in Xi an Xi an 710064 China Abstract With the continuous development of sensors and advanced control systems the application of UAVs in different fields has been greatly facilitated.Transmission and analysis of data on flight parameters helps to grasp the operational status of the UAV in real time.To this end this paper develops a new UAV telemetry system that uses a 915MHz XBee Pro S3B module for data communication from the airborne to the ground station and combines different sensors to achieve real-time detection and transmission of UAV altitude position battery voltage motor speed and other data.In the experiment the telemetry system was tested in real flight and the experimental results verified the effectiveness of the designed system.Key words UAV telemetry systems XBee module wireless communication43