基于嵌入式Linux和3G網絡的四旋翼飛行器應用開發

曾曼云

摘要：近年來，無人機在越來越多的領域中得到應用，尤其是旋翼無人機。本文提出一種基于嵌入式Linux和3G網絡的設計方案，以四旋翼飛行器為載體，對相關的應用系統進行開發。

關鍵詞：嵌入式Linux;3G網絡;四旋翼飛行器

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0139-01

1 四旋翼飛行器應用開發的重要意義

四旋翼飛行器歸屬于無人直升機的范疇，利用無線遙控裝置可以對飛行過程進行控制。隨著微電子技術的不斷發展和完善，使得無人機在軍事和民用領域中得到越來越廣泛的應用。在軍事方面，四旋翼飛行器具有起落降簡單、靈活性強、造價低、隱蔽性好等特點，可完成各種偵察任務。民用方面，四旋翼飛行器在攝影、測繪、運輸、搶險等方面發揮著重要作用。近年來，業內的專家學者加大了對多旋翼飛行器的研究力度，各種新技術、新材料的應用，使得旋翼飛行器的整體性能獲得顯著提升。為了提高四旋翼飛行器的性能，專業人士進行了大量研究，結合他們的研究成果，嘗試通過3G網絡，將飛行器與互聯網進行連接，以嵌入式Linux平臺為操控系統提供穩定的支撐，最終目的是為了突破旋翼飛行器控制與傳輸距離的限制。

2 基于嵌入式Linux和3G網絡的四旋翼飛行器應用系統設計

2.1 系統設計思路

本系統以四旋翼飛行器作為主體，該飛行器由主控芯片、慣性模塊、氣壓高度計等幾個部分組成，采用嵌入式Linux系統開發平臺，集成ARM9處理器。飛行器（各部分模塊通過總線）進行連接，（通過嵌入式Linux平臺）完成圖像采集、傳輸等功能，同時還能（接收）上位PC機發出的控制指令，借助具體的應用程序，對飛行器進行控制[1]。

2.2 系統硬件配置

（1）開發板。系統選用嵌入式開發板min2440，擁有精簡指令微處理器，制造工藝為0.13um，使其具備低功耗、高性能的優勢。mini2440開發板采用三星公司制造的主頻為400MHZ的CPU處理器，它是整個系統的核心，其上連接各種模塊，如顯示模塊、存儲模塊、輸入模塊、電源模塊、USB模塊等等，接口類型相對較多，包括（串口、）SD接口、USB HOST接口、RJ-45接口以及GPIO擴展接口等。（2）攝像頭。系統采用羅技C270攝像頭，支持1280*720視頻采集，在室外光線不足的情況下，可以通過自動對焦完成圖像的校正，由此能夠實現各種光線下的視頻采集。（3）3G網卡。系統選用CDMA-2000，可提供移動IP、簡單IP以及IP分組服務。PDSN可提供用戶PPP連接和終止服務。CDMA-2000的寬帶可在1.25-20MHZ之間進行調節。綜合考慮價格、性能等因素，選擇中興的AC581作為無線網卡。（4）飛行模塊。系統采用主頻達到72MHZ的主控芯片，以及具備陀螺儀功能的傳感器，內置模數轉換器，可保持高頻率通訊需求[2]。

2.3 Linux系統結構

（1）硬件平臺。包括存儲器、微處理器、通用設備接口等，在ROM中存儲操作系統，微處理器選用嵌入式微處理器。（2）硬件抽象層。用于分離系統內核和底層硬件，使底層驅動與硬件不存在關系，提高了系統應用程序開發的便捷性。硬件抽象層主要功能為初始化硬件設置、輸出和輸入數據等。（3）內核。這是系統的核心部分，對硬件進行一致管理，并對用戶提供高層抽象層，包括調度進程、驅動備份、共享存儲空間等。若在系統中使用內核提供API，則可將應用程序直接移植到相應架構上，無需對應用程序作出修改。（4）根文件系統。該系統位于內核之上，滿足用戶與系統交互需求，內核需要在合適結構的文件系統上加載程序，在每個進程匹配相應加載模塊，生成工作目錄。（5）網絡服務器。主要為Linux目標機與宿主機提供通信服務。在網絡服務器的支持下，嵌入式Linux系統中的目標機可以訪問宿主機上的文件，能夠在系統開發過程中大幅度提高Linux文件的共享利用效率。網絡服務器配置NFS文件，文件中主要包括客戶端主機地址、共享目錄名和選項設置。

2.4 系統軟件設計

（1）撥號上網。撥號上網使用PPP協議實現點到點的鏈路封裝，在經典OSI參考模型中傳輸網絡層數據包，用以支持異同步點到點傳輸。基于PPP協議的撥號上網具備以下特點：PPP協議支持點到點連接，可提供數據鏈路層協議;可使用同步或異步形式;網絡安全性高，可支持PAP/CHAP協議;在NCP協議的支持下可支持網絡協議。PPP協議的組成部分包括：一是LCP（鏈路控制協議族），其功能對PPP數據鏈路進行建立、拆除和監控;二是NCP（網絡控制協議族），其功能對數據包的格式和類型建立起點到點的鏈路。（2）驅動程序。當四旋翼飛行器接收到上位機發出的控制指令后，Linux系統會對其中的通道控制量進行提取，利用底層驅動，對硬件GPIO進行驅動，以此來實現對飛行器的控制。本系統中的驅動程序處在硬件與Linux中間，其提供了統一接口，通過接口可對硬件設備進行訪問。對驅動程序進行編寫，可為Linux的內核提供接口，以此來對設備進行訪問。本系統在軟件設計中，對硬件GPIO的控制采用字符設備驅動。當驅動程序編寫好以后，應對相應的驅動模塊進行編譯。在進行內核編譯的過程中，應確保其與開發板內核具有相同的版本，由此便可生成驅動文件gpio_ioctl.ko，隨后將該驅動程序Copy到開發板上，執行如下安裝命令即可：insmod gpio_ioctl.ko。（3）應用程序。應用程序主要用于接收（和處理）數據和（以及）控制GPIO，以達到控制飛行的目的?？刂菩盘柌捎胾s級控制，最高為2000us，最低為1000us，根據信號高電平時間的變化對信號數字大小進行控制?？刂菩盘柌捎肞MM格式，信號程度為20ms，脈寬為0-2ms，高電平為1-2ms，在考慮到脈沖時間的情況下，最多可支持9個通道。為實現應用程序的功能，要在應用程序執行之前對存放的接收數據、提取的通道數據進行初始化處理，創建TCP協議的套接字，之后再打開內核驅動創建出新的線程即可。該線程可在進程中的邏輯流內運行，一個進程可同時運行多個線程，由內核負責對線程進行自動調度，以整數ID對線程進行識別。當完成初始化后，主線程在while（1）循環語句中，借助read（），系統可對網絡端口接收到的數據進行調用讀取[3]。

3 結語

綜上所述，旋翼飛行器的控制和傳輸距離是限制其應用范圍進一步擴大的關鍵因素，為有效解決這一問題，本文以四旋翼飛行器作為研究對象，設計開發基于嵌入式Linux和3G網絡的應用系統。通過該系統，可以使四旋翼飛行器的控制距離和傳輸距離獲得顯著提升。由此可見，該系統具有良好的推廣使用價值。

參考文獻

[1]劉衛輝，李建國，王磊，孟瑞鋒.基于UART總線的四旋翼飛行器姿態采集[J].機械工程與自動化，2018（5）：182-183+187.

[2]黃艷國，樊云東，陳自如.基于信息融合的四旋翼飛行器的姿態解算[J].計算機仿真，2018（9）：59-64.

[3]朱麒龍.四旋翼飛行器控制技術研究[J].通訊世界，2018（9）：216-217.

Application Development of Four-Rotor Aircraft Based on Embedded Linux and 3G Network

ZENG Man-yun

（Gosuncn Technology Group Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong? 510000）

Abstract：In recent years， UAV has been applied in more and more fields， especially the Rotor UAV. In this paper a design scheme based on embedded Linux and 3G network is proposed， the related application system is developed with the Four-rotor aircraft as the carrier.

Key words：embedded Linux; 3G network; four-rotor aircraft