瞳翼

方林旭+張智鵬+黨元浩+曹芳菲

摘 要：“瞳翼”智能四軸飛行器是一款能夠通過電腦、手機App以及GPS定點導航三種方式控制的可實時進行視頻傳輸的航拍飛行器。飛行器主體是小型四旋翼飛行器，主要由飛行器姿態控制部分、無線傳輸部分以及控制端軟件部分組成。本作品短距離可利用飛行器自身WiFi采用電腦和手機App重力感應控制飛行，具有較強的趣味性、娛樂性，是十分有發展前景的新型智能玩具。此外，遠距離還可采用GPS導航定點飛行，從而可實現城市監測、林業監測、交通監測等，是現代無人機技術的有力補充。

關鍵詞：手機控制;重力感應;GPS定點巡航;實時圖傳

1 ?作品詳細介紹

本產品有以下四個功能特色。

1.1 ?手機App控制

通過開發手機重力感應功能，這款四旋翼飛行器可通過手機App進行飛行控制。App界面如圖1所示。控制飛機前，需要先連接飛機的無線網絡，點擊連接按鈕后，手機便可向飛行器發送數據。解鎖后，使用者可通過重力感應對飛行器控制，同時可查看飛行中的航拍圖像。

圖1 ?手機App界面

1.2 ?電腦控制

電腦控制界面如圖2所示，可通過點擊油門和方向鍵來控制飛行器。界面左側為飛行器實時拍攝傳輸回來的圖像。

圖2 ?電腦控制界面

1.3 ?GPS定點巡航飛行

控制界面如圖3所示。當飛行器控制距離超過其自身WiFi傳輸距離時，采用遠距離地面站臺控制，通過GPS定點實現對飛行器飛行路線的控制。

圖3 ?GPS巡航飛行控制界面

1.4 ?多個設備同時查看圖像

本產品采用獨特圖傳技術，支持多個設備同時查看飛行器飛行過程中的航拍圖像，如圖4所示。

圖4 ?多個設備同時查看航拍圖像

2 ?作品原理

2.1 ?開發過程

在作品研發過程中，我們首先分別對軟件和硬件進行開發，最后進行整體功能調試，開發過程如圖5所示。

圖5 ?作品開發過程

2.2 ?作品硬件結構

近距離采用WiFi控制，產品硬件如圖6所示，由機架、飛行控制電路、無線傳輸電路以及攝像頭組成。在此基礎上，加入GPS模塊以及電臺裝置，便可實現遠距離GPS導航控制，如圖7所示。

圖6近距離控制硬件 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖7遠距離控制硬件

2.3 ?作品技術說明

四旋翼飛行器是一種具有四個螺旋槳的飛行器，并且四個螺旋槳呈十字形交叉結構。與傳統的飛行器不同，四旋翼飛行器通過改變螺旋槳的速度來實現各種動作。

本作品的主體是小型四旋翼飛行器，主要由飛行器姿態控制部分、無線傳輸部分以及控制端軟件部分組成。

2.3.1 ?飛行器姿態控制部分

飛行控制系統主控芯片采用簡單快速的經濟性單片機ARDUINO PRO MINI，可實現對三軸加速度、三軸角速度、電子羅盤等數據的測量，從而完成對飛行姿態的有效控制。在飛行姿態部分，采用PID算法來調整和保持飛行器正常的飛行姿態，并對采集回的傳感器測量值進行相應的軟件濾波、數據融合，消除傳感器的有害測量值對飛行控制的影響。

2.3.2 ?無線傳輸部分

首先搭建基本OPENWRT路由器系統，在此基礎上開發網絡協議，手機App端（或電腦端）根據網絡TCP協議發送飛行器控制數據，經路由器輸出端連接飛行控制板進行串口信息交換，實現飛行器控制，同時讀取航拍圖像。

由于飛行器搭載WiFi無線網絡利用手機控制局限于WiFi信號覆蓋范圍，為遠遠擴大控制區域，需使用無線電臺。

2.3.3 ?控制端軟件部分

在開發手機App的過程中，首先測試手機重力傳感器，加入網絡許可，測試網絡協議，然后建立飛行器控制協議。由網絡搭載信息，通過手機TCP/IP對應端口與路由器（中介服務器）通信，從而與飛行器通信。最后加入網絡UDP數據流讀取，實時讀取航拍數據流并顯示。電腦控制臺軟件的開發過程與手機App的開發過程類似，但電腦無需調試重力感應，通過界面按鈕和電腦鍵盤聯合控制實現，并可通過調按鍵來控制靈敏度。

3 ?作品創新點

本產品作為一款新型智能飛行器，具有以下五大創新點。

（1）控制方式多樣。本作品近距離可采用手機App重力感應或電腦控制，遠距離可采用遠距離GPS定點巡航飛行

（2）特配機體，完美效力，飛行時間長。5 200 mAh鋰電池，空載總重小，最長飛行時間可達30分鐘。

（3）多個設備同時查看圖像。采用獨特圖傳技術，可支持多個設備同時查看航拍圖像。

（4）性價比高。采用高效低成本ATMEGA328P核心控制飛機平穩飛行。

（5）防風設計防雨保護。外殼采用室外專用外殼，全天候飛行風雨無阻。

4 ?市場前景

隨著人們生活水平的逐步提高，青少年對玩具的需求程度也逐漸上升。根據調查結果總體來看，國內玩具大都功能單一，外型單調，電子、智能型玩具具有很大吸引力。

“瞳翼”智能四軸飛行器面向14周歲以上青少年，具有較強的趣味性、娛樂性，能夠培養青少年動手和思考的能力，是十分有發展前途的新型玩具。

此外，本產品還可利用GPS衛星定位進行路線定點自動飛行，加之其具有視頻實時傳輸功能，從而可實現城市監測、交通監測、林業監測等，是現代無人機技術的有力補充。