无人机遥控器协议
凉凉不冷 Lv4
  2024-03-06 18:24:05 2024-03-06 18:24   2024-03-06 18:40:48      

无人机遥控器

目前用于无人机遥控器主流的无线电频率是 2.4G ，这样的无线电波的波长更长，可以通信的距离较远，普通 2.4G 遥控器与接收机的通信距离在空旷的地方大概在 1km 以内。2.4GHz 无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术。所谓的 2.4GHz 所指的是一个工作频段 2400M-2483M 范围,这个频段是全世界免申请使用。

常见的 Wifi ,BlueTooth ,ZigBee 都是使用的 2.4G 频率段。Wifi ,BlueTooth ,Zigbee 都是基于 2.4GHz 的,只不过他们采用的协议不同,导致其传输速率不同,所以运用的范围就不同。同样是采用 2.4G 频率作为载波,但不同的通讯协议衍生出的通讯方式会有着天壤之别;仅仅在传输数据量上,就有着从 1M 每秒到 100M 每秒的差别。

因为无线电波在传输过程中可能受到干扰或是数据丢失等等问题，当接收机无法接收到发射器的数据时，通常会进入保护状态，也就是仍旧向无人机发送控制信号，此时的信号就是接收机收到遥控器发射器最后一次的有效数据。这样因为信号丢失而发送的保护数数据通常叫做 failsafe 数据。

遥控器与无人机的通信协议有多种，常见协议如下：

  • PWM（Pulse Width Modulation）：需在接收机上接上全部 PWM 输出通道，每一个通道都要接一组线，解析程序需要根据每一个东到的 PWM 高电平时长计算通道数值；
  • PPM（Pulse Position Modulation）：按固定周期发发送所有通道 PWM 脉宽的数据格式，一组接线，一个周期内发送所有通道的 PWM 值，解析程序需要自行区分每一个通道的 PWM 时长；
  • SBUS（Serial Bus）：每11个 bit 表示一个通道数值的协议，串口通信，但是 SBUS 的接收机通常是反向电平，连接到无人机时需要接电平反向器，大部分支持 SBUS 的飞控已经集成了反向器；
  • XBUS：常规通信协议，支持18个通道，数据包较大，串口通信有两种模式，可以在遥控器的配置选项中配置，接收机无需做特殊配置；

通常操控无人机进行移动的必要通道有：

  • 俯仰
  • 航向
  • 油门
  • 滚转

1. PWM

接收机的每个通道均接出一根线用于 PWM 输出，飞控通过采集并解析这些 PWM 信号以获取控制信息，

在使用 STM32 时，可以将 GPIO 设置为 PWM 采集模式，并通过采集寄存器来读取当前 PWM 的周期与 PWM 占空比。

飞控对 PWM 信号处理的具体方法：

  • 检测引脚由低电平变为高电平的时刻，并记录当前时间 t0 ，表示高电平开始；
  • 检测引脚由高电平变为低电平的时刻，并记录当前时间 t1 ，表示高电平结束；
  • 继续检测引脚由低电平变为高电平的时刻，并记录当前时间 t2 ，表示一个 PWM 周期结束；
  • 计算高电平时长 = t1 - t0；
  • 计算整个 PWM 周期 = t2 - t0；
  • 计算 PWM 占空比 = 高电平时长 / PWM周期；

2. PPM

一旦通道数量变多，采集多个通道的 PWM 使得资源十分浪费，因此使用 PPM 编码，即在通过一路连接在一个周期内传输多个 PWM 信号，PPM 的频率通常是 50 Hz，周期长度 20 ms，如下图：

高电平电压一般在 4.8-6V ，信号周期 24ms ，单个脉冲宽度 0.4 ms， 脉冲间距 0.9ms-2.1ms；

3. SBUS

此协议是一种串口通信协议，采用 100k 的波特率，数据位点 8bits，停止位点 2bits，偶校验，但采用的反向电平传输，所以在接收端需要增加一个高低电平反向器进行电平反转，反向器可以按如下方法设计：

但大部分飞控已经集成了反向器，包括我们所使用的 PIXHAWK。

同时Nuttx支持自定义的波特率，可以通过对设备节点的配置实现波特率的设定，在 PIXHAWK IO上，S-BUS总线的设备节点为 /dev/ttyS2 ，所以可以编写一个程序对这个串口节点的波特率进行配置，

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void sbus_config(void)
{
    int sbus_fd = open("/dev/ttyS2", O_RDWR | O_NONBLOCK);
    if(subs_fd < 0)
    {
        return;
    }
    struct termios t;
    // set baud rate 100k
    tcgetattr(sbus_fd, &t);
    cfsetspeed(&t, 100000);
    t.c_cflag |= (CSTOPB | PARENB);
    tcsetattr(sbus_fd, TCSANOW, &t);
    
}

设置好波特率后，就可以对标准文件设备进行读取，通过 read() 函数来读取串口中的数据，

SBUS在传输过程中有两种不同的传输模式：

  • 高速模式：数据发送间隔时间 7ms；
  • 低速（模拟）模式：数据发送间隔时间 14ms；

S-BUS协议数据格式如下：

起始字节 0x0F Flag字节说明
数据1 bit0 = n / a
数据2 bit1 = n / a
…… bit2 = n / a
…… bit3 = n / a
数据21 bit4 = 故障安全激活(0x10)
数据22 bit5 = 帧丢失，接收器上的等效红色LED(0x20)
标志字节 bit6 = ch18 = 数字通道(0x40)
终止字节 0x00 bit7 = ch17 = 数字通道(0x80)

S-BUS 中数据 1~22 使用 11bits 来表示一个通道的数据 (0 - 2047)每个数据有 8bits 故可表示 16 个遥控器通道(8 × 22 = 11 × 16)，

此外，遥控器返回的值与 PX4 飞控程序中有效通道值若不对应，需要进行转换；

S-BUS可以使用 UART 控制器来实现，故推荐使用此种方式进行设计。

参考网页：

  1. 一天精通无人机：初级篇系列第 9 讲：遥控器 - 知乎 (zhihu.com)
  2. 无人机中级篇：第十一讲：遥控器PWM与PPM协议 - 知乎 (zhihu.com)
  3. 无人机中级篇：第十讲：遥控器协议S-BUS - 知乎 (zhihu.com)
  4. 介绍PWM、PPM、S-BUS这三者的区别-CSDN博客
  5. Futaba S-BUS controlled by mbed | Mbed
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  1. 无人机遥控器
    1. 1. PWM
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    3. 3. SBUS