基于Android的無人飛行器控制系統的設計與實現

【摘要】 傳統四軸飛行器的控制多為搖桿遙控器，存在便攜性差的問題，不利于對飛行器的控制。隨著移動網絡技術的成熟、智能移動終端的普及，移動終端代替傳統遙控器也是大勢所趨。智能移動終端在便攜性、操作靈活性方面都優于傳統遙控器。在智能移動終端中，Andriod平臺具備以上優勢，所以基于Android平臺，進行了對四軸飛行器的控制系統的設計，給出了硬件、軟件模塊方案。實驗證明，對飛行器的控制能達到預期要求。

【關鍵字】 無人飛行器 Android 重力感應

近年來，隨著新型材料以及飛行控制技術的發展，四軸無人飛行器得到迅猛發展。它具有結構簡單、穩定性好、承載能力強、低成本、高效益的特點，在各個領域都有著廣闊的應用前景。如今大多數無人飛行器仍需傳統遙控器來控制其飛行，傳統遙控器體積大、重量重，不便于攜帶，給對飛行器的控制帶來一定的不便性，為改善這一問題，提出利用移動終端來代替傳統遙控器。

雖然目前市面上已經出現了可以由iPhone控制的四軸飛行器AR.Drone，但因為其較高的成本阻礙了多數人選擇用iPhone。相對的，Android在高、中、低各端都有產品，能為飛行器的控制帶去便捷性和更多的選擇性。通過實際需求分析，探討了無人飛行器的軟、硬件實現方案。

一、系統框架

1.1 控制系統總體結構

傳統四軸飛行器的控制系統通常由主控制模塊、飛行控制器、無線通信模塊、驅動電機、遙控器等結構組成，分為機載端控制部分和手持端控制部分。

1.2 控制原理

飛行控制器中的不同傳感器用來測量四軸飛行器的飛行狀態信息，主控制器根據傳感器反饋回來的狀態信息以及通過遙控器發射過來的控制信號進行處理，使控制系統根據處理結果輸出5路PWM信號，最終傳給電子調速器，電調通過對電流的控制來調整電機轉速，從而實現對飛行器的姿態控制。本文將傳統遙控器改為了安卓手持端來控制，其余原理不變。

二、系統模塊設計

2.1 主控制模塊

控制系統的核心是主控制模塊，它應具有多路信號的高精度采集能力，輸出PWM脈沖控制信號能力以及其他應有的通信信道和數據接口。本文采用意法半導體公司的STM32單片機，它具有32位處理器，并自帶PWM波發生器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而設計的 ARM Cor-tex-M3內核。它主要負責采集傳感器檢測到的姿態角速率、三軸的線加速度和航向信息并實時解算；并通過無線通信模塊與地面進行數據的傳輸，實現接收控制命令改變飛行狀態和下傳飛行狀態數據[1]。

2.2飛行控制模塊

飛行控制器采用深圳大疆公司的naza lite，它由3軸陀螺儀、3軸加速度計、地磁傳感器以及微控制芯片集成，用于識別高度和姿態，從而實現鎖定高度和平穩姿態等飛行控制功能。出于穩定性考慮，在飛控模塊上加裝GPS，可以用全球衛星定位系統來提供精準定位。即使在微風環境中，也可基本實現穩定懸停，即使把飛行器拉離原位，飛行器也可自動回位。

2.3 電機及電機驅動模塊

針對飛行器設計，選用了無刷電機，由于飛行器的姿態控制需要快速響應，所以針對電機，使用了無刷電調。利用STM32的PWM通道輸出1～2ms的方波脈沖，重復頻率為20～50Hz，輸出到電調的油門線（控制線）。由于是單向電調，1ms表示0%的油門，2ms表示100%的油門，從而實現電機轉速的控制[2]。

2.4 無線通信模塊

最初使用的通信模塊為傳統的NRF24L01無線通信，在不使用功放的情況下，其具有10米左右的通信距離，該距離過短。同時，其一次最多發送32個字節，因此，若數據幀超過32個字節，則需人為進行分包處理，無法滿足圖像信息的傳送，因此首次嘗試將TP-LINK 3G無線路由器固定在飛行器上，充當無線發射器，通過重新刷入OPENWRT系統，讓路由器可以自動把收到的各種信息轉到串口輸出。

2.5 手持端控制模塊

2.5.1 軟件設計

為了便于操控飛行器，擯棄傳統遙控器，改用移動手持端來控制飛行器的飛行。總體以Andriod為平臺進行軟件開發。在進入運行界面開始后，初始化系統參數，以無線方式連接飛行器，完成對飛行器的飛行控制。運行流程圖如圖1所示。其中，運用Socket通信方式完成數據通信模塊的功能實現，實現飛行器與終端控制系統的數據通信。

2.5.2 Socket通信

Socket又稱套接字，在程序內部提供了與外界通信的端口，即端口通信。通過建立Socket連接，可為通信雙方的數據傳輸傳提供通道。Socket的主要特點有數據丟失率低，使用簡單且易于移植。

Socket通信創建流程：

服務器端首先聲明一個ServerSocket對象并且指定端口號，然后調Serversocket的accept（）方法接收客戶端的數據。accept（）方法在沒有數據進行接收的處于堵塞狀態。（Socketsocket=serversocket.accept（）），一旦接收到數據，通過inputstream讀取接收的數據。

客戶端創建一個Socket對象，指定服務器端的IP地址和端口號，通過inputstream讀取數據，獲取服務器發出的數（OutputStreamoutputstream=socket.getOutputStream（）），最后將要發送的數據寫入到outputstream即可進行TCP協議的Socket數據傳輸。

2.5.3 重力感應

Android系統支持多種傳感器類型，包括加速度傳感器、重力傳感器、陀螺儀、線性加速度傳感器、方向傳感器等，用以獲取設備的外界條件[3]。

加速度傳感器主要用于感應手機的運動，測量設備的加速度[4]，包括重力加速度，單位是m/s2。主要捕獲三個參數values[0]、values[1]、values[2]，分別對應三個坐標值x，y，z，X表示左右移動的加速度，y表示上下移動的加速度，Z表示垂直方向的加速度。

Android平臺下傳感器的開發比較固定，主要通過監聽機制實現，當外部環境發生改變時，Android系統會通知傳感器獲取外部環境的數據，并傳送給監聽器。開發步驟如下；

1、創建 SensorManager 對象

SensorManager對象代表系統的傳感器管理服務，用來管理所要調用的傳感器。先調用 Content的 getSystemService（Context.SENSOR_SERVICE）方法獲取SensorManager 對象，再調用 SensorManager 的getDefaultSensor（int type）方法，獲取指定類型的傳感器。

2、注冊和注銷監聽器

在Activity的onResume（）方法中調用SensorManager的registerListener（Sensor EventListener listener，Sensor sensor，int rate）為指定傳感器注冊監聽器。該方法三個參數中的listener監聽傳感器事件的監聽器，sensor代表傳感器對象，rate指定獲取傳感器數據的頻率。同樣，在Activity的onStop（）方法中調用SensorManager的unregisterListener（SensorEventListener listener）方法注銷傳感器。

三、系統實現

3.1 硬件實現

根據之前的硬件系統模塊介紹，搭建出了四軸飛行器控制圖，見圖2。

3.2 軟件實現

控制系統軟件設計分為手動控制和重力感應控制，對應不同的控制環境。手動控制中點擊相應按鈕控制飛行器的飛行走向，簡單方便。此外，系統支持重力感應，再一次省去了點擊屏幕的步驟，能根據重力方向的不同，實現對飛行器的高度、方向的操控。

四、結束語

本文給出了基于安卓的無人飛行器的控制系統的設計方法，改變了傳統以遙控器控制飛行器飛行為主的控制方式。該系統能滿足飛行器起飛及懸停、降落等飛行姿態的控制要求，并且能根據手持端的不同姿勢，利用重力感應來控制飛行器前、后、左、右以及高度等不同的飛行要求，很好的解決了傳統的遙控器帶來的不便性，給無人飛行器更為廣泛的應用打下夯實的基礎。

參 考 文 獻

[1] 劉乾，孫志峰.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統[J].機電工程，2011，28（10）：1237-1240.

[2] 謝義建，陳躍東，舒圣焱.基于STM32的四旋翼飛行器的設計與實現[J].四川理工學院學報（自然科學版），2014，27（3）：42-45.

[3] 韓大偉 基于Android的小型飛行器終端控制系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

[4] 于衛紅 基于多Agent與Android傳感器的智能照明控制系統[J].計算機與數字工程，2013，06：1009-1012.