基于GPRS網絡數據流量控制的四軸無人機的操作系統

南昌航空大學測試與光電工程學院大學物理國家級實驗教學示范中心 楊志豪 陳鳳英 陶則旭 史圣達 程 永 李錚楨

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基于GPRS網絡數據流量控制的四軸無人機的操作系統

南昌航空大學測試與光電工程學院大學物理國家級實驗教學示范中心 楊志豪 陳鳳英 陶則旭 史圣達 程 永 李錚楨

【摘要】本設計基于單片機及GPRS模塊和陀螺儀以及加速計裝置的無人機，將GPRS模塊置于四旋翼無人機上，利用單片機技術，GPRS網絡技術及陀螺儀和加速度計等設備使得操作人員可以遠程利用網絡操控無人機，將操控端GPRS模塊將信號通過網絡上傳至服務器，由服務器通過移動數據網絡將信號傳輸到無人機上的GPRS模塊，然后通過機載GPRS模塊將信號轉化為電信號，使得無人機可以根據操作人員發出的指令做出各項高難度復雜動作，若在短時間內沒有信號輸入，則無人機默認為懸停狀態，若在既定的長時間內沒有信號輸入，則無人機默認為安全著陸并且執行，只要有運營商的移動數據網絡信號即可正常運行，做到無人機擺脫對操控終端操控距離的限制。

【關鍵詞】單片機；GPRS模塊；移動數據網絡信號；超視距操控

引言

隨著科學技術、自動化技術及飛行制造技術的不斷發展，各種各樣的無人機已經漸漸走進了我們的生活中。無論是軍用的偵查無人機還是商業用的航拍無人機，無人機在我們的生活中已經扮演了不可或缺的角色。無人機的誕生使得人類可以利用無人機前往一些載人飛機無法到達的地方，同時無人機的誕生也使得人類在飛機控制上有了質的突破，可以完成人類飛行員無法完成的飛行任務，無人機的誕生也可以免除飛行員培養的高昂費用。

然而，現階段的無人機普遍存在操作距離短，難以異地操作，難以使用電腦智能電話等現代化常用設備操控，操縱終端通用性能差等種種問題。

目前，國內外無人機的操控主要依靠2.4G頻率電磁波將操縱信號傳輸至無人機，然后將電磁波轉化為電信號從而使得無人機完成各種飛行動作，但是由于2.4G頻率電磁波信號傳輸距離短，傳遞信息數量有限，操控設備通用性差，使得無人機的功能受到了種種的局限，若是采用GPRS網絡，利用GPRS模塊接收控制設備傳來的信息，并將相關數據通過GPRS網絡上傳至服務器，傳回至操控者處，情況將大為改觀。

GPRS網絡全國覆蓋率已達到92%，除西藏等偏遠地區幾乎每個地方都能接收的到GPRS網絡信號，現在各個運營商都在大力推行4G網絡，一但利用GPRS網絡控制無人機的技術成熟后，我們可以轉進4G網絡并在無人機上加上一個機載高清運動攝像頭，4G網絡下載速度可達100Mbps，上傳速度可達20Mbps，這個速度已經滿足了傳輸高清視頻的要求了。所以，一但轉進用4G網絡控制無人機，只要電池滿足的情況下，無人機哪里都可以飛。

1　基本原理

電腦上位機發送指令給飛機上的GPRS模塊，GPRS模塊再將收到的信息發送給單片機，單片機再根據相應的指令做出相應的動作。同時GPRS模塊也可以將飛機的實時信息返回給上位機，使操縱者可以了解飛機的實時信息。

2　總體設計

將GPRS模塊置于無人機上面，利用單片機技術，GPRS網絡技術，及陀螺儀和加速度計等等設備使得我們可以遠程利用網絡操控無人機。GPRS模塊可以將我們電腦上位機的操控信號通過網絡上傳至服務器，由服務器通過網絡傳輸到無人機上面的GPRS模塊，然后通過GPRS模塊將網絡信號轉化為電信號，使得無人機可以做出上升，下降，轉彎，懸停等等的度復雜動作，同時也將諸如電量，高度，溫度，平衡度等信息傳回操縱終端。在起飛后利用單片機進行輔助控制若是一秒內無信號輸入無人機則無人機默認進行懸停，至十分鐘內無信號輸入，無人機打開自帶降落傘進行保護性著陸。

技術成熟后我們將錄像設備固定于無人機上，將數字視頻信號利用先進的4G網絡技術轉化為網絡信號，利用服務器將網絡信號傳輸至控制終端，實現無人機與操縱者的視界同步。

2.1四軸無人機設計

主控單片機STM32讀取MPU6050的加速度計和陀螺儀數據后進行互補濾波融合兩者數據得到飛機實時姿態的歐拉角，然后在通過PID算法實時控制四軸四個電機的轉速使飛機能夠自穩而平衡的飛起來。GPRS模塊SIM7100C和單片機通過USART協議通信，將接收到的電腦上位機的指令發送給單片機STM32，STM32再根據指令對四軸做出相應的動作。同時飛機也會將四軸實時信息傳回電腦上位機。

圖一　飛機各個模塊物理連接示意圖

2.2上位機設置

電腦先安裝好上位機—TCP/UDP調試工具，打開TCP/UDP調試工具（ 圖一 ），選擇TCP server之后點擊創建，之后跳出來的監聽端口號選項選擇32001再點擊確定即可自動連接飛機上的SIM7100C模塊，通過上位機向飛機發送指令即可控制飛機（圖二）。

控制指令集有：（1）CMD：UP（勻速上升）；（2）CMD：DOWM（勻速下降）（3）CMD：LEFT（勻速向左飛行）；（4）CMD：RIGHT（勻速向右飛行）；（5）CMD：YAW（勻速順時針自旋）；（6）CMD：LANDING（自動降落）；（7）CMD：STOP（懸停）；（8）CMD：STATE（讀取飛機當前信息：溫度、高度、電池電量），共8個指令。這8個指令即可控制飛機做出各種各樣的動作。

圖二　上位機打開初始界面

圖三　上位機發送指令窗口

經測試，在發送指令之后到飛機做出相應動作之間有大約0.4S延時，GPRS通信0.4S的延時在控制低速無人機還是可以接受的。

3　應用前景

該設計可以解決無人機受操控終端信號發射距離的限制，解決使得無人機的操控距離大大加大，甚至可以使得無人機擺脫對操控終端操控

距離的限制，真正的做到哪里有手機信號，無人機就可以從哪里起飛，就可以在哪里飛行。也可以使得無人機將實時飛行數據傳回給操控者，使得無人機的操縱更加容易。同時也能降低無人機對操縱終端的要求，操縱者們甚至可以利用移動智能手機，電腦等工具對無人機的操縱。

該設計不但能夠使得無人機的普及進入一個更高的階段同時甚至還能用于軍方科技用于軍事偵查。利用四軸體積小，飛行速度快的優勢，可以進行室內偵查、室外偵查、危險區域偵查。

4　結束語

GPRS網絡全國覆蓋率已達到92%，除西藏等偏遠地區幾乎每個地方都能接收的到GPRS網絡信號，現在各個運營商都在大力推行4G網絡，一但利用GPRS網絡控制無人機的技術成熟后可以將智能手機作為信號接收系統，這樣就可以用手機控制飛機。而基于GPRS模塊的無人機的操作系統則更關注直接將GPRS模塊置于無人機上，更專業化，更加穩定安全。我們還可以轉進4G網絡并在無人機上加上一個機載高清運動攝像頭，4G網絡下載速度可達100Mbps，上傳速度可達20Mbps，這使得無人機的普及進入一個更高的階段同時甚至還能用于軍方科技用于軍事偵查。

參考文獻

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