基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多軸無人機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

于同陽，尹麗菊，胡浩東，許文強(qiáng)，寇廷棟

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，淄博 255049）

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[1]已經(jīng)滲透到人們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)必定會(huì)有非常廣泛的前景。目前，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)問世，該網(wǎng)絡(luò)具有高速度、低功耗、低時(shí)延的特點(diǎn)，此次通信革命必將使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用發(fā)展到一個(gè)新的高峰。然而，5G目前尚未得到普及，4G網(wǎng)絡(luò)雖然不及5G，但是已經(jīng)發(fā)展到了非常高的水平。

無人機(jī)應(yīng)用[2]是近幾年的熱門話題，該技術(shù)正處于高速發(fā)展之中，特別是四旋翼無人機(jī)[3]已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，可以進(jìn)行短距離搜尋作業(yè)、探測作業(yè)、無人機(jī)運(yùn)輸快遞等。而目前無人機(jī)存在的不足之處是控制距離太短，如果利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制，即將具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信功能的模塊放置于無人機(jī)上，上位機(jī)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與無人機(jī)進(jìn)行通信，既能夠完成對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制。在此擬采用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，完成無人機(jī)與上位機(jī)之間的通信。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，在一定的距離范圍內(nèi)，該無人機(jī)可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，并且在上位機(jī)上顯示出各種信息。

1 多軸無人機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案

基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多軸無人機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，由飛行控制模塊、電源模塊、姿態(tài)解算模塊、動(dòng)力模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊、GPS模塊及外圍傳感器模塊組成。飛行控制模塊采用STM32F103ZET6芯片作為飛行控制器，結(jié)合傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，對無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行控制；飛行控制器結(jié)合PID算法、Mahony互補(bǔ)濾波算法，使無人機(jī)能平穩(wěn)地飛行，達(dá)到垂直起飛與懸停、按照規(guī)定路線飛行等動(dòng)作；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊采用中興公司的4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊作為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與上位機(jī)之間的通信交流；外圍傳感器部分負(fù)責(zé)采集信息，并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊傳遞到上位機(jī)。其整體流程框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案流程框圖Fig.1 System solution flow diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 飛行控制器的設(shè)計(jì)

飛行控制器選用STM32單片機(jī)。該單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核的32位閃存微控制器，72 MHz主頻，可以完成復(fù)雜的9軸姿態(tài)解算和控制算法任務(wù)，而且該芯片外設(shè)充足。與其他的32位單片機(jī)相比較，該單片機(jī)集高性能、高實(shí)時(shí)性、高性價(jià)比、低功耗于一身，特別適合無人機(jī)這種耗能很大的設(shè)備使用。除此之外，該系列單片機(jī)學(xué)習(xí)資料豐富，例程較多，并且長時(shí)間使用該系列單片機(jī)，開發(fā)環(huán)境掌握得較為熟練。考慮到性能與價(jià)格，最終選擇STM32F103ZET6作為飛行控制芯片。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊的選擇

姿態(tài)傳感器選用 MPU9250。該IMU模塊直接將三軸磁力計(jì)集成在內(nèi)，可以直接通過I2C總線讀出9軸姿態(tài)信息，省去了接線與布線的繁瑣。該模塊的集成度較高，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)良，特別適合在無人機(jī)這種“寸土寸金”的精密設(shè)備上使用，而且固定更加簡便，相比于其他傳感器，只需固定一個(gè)較小的模塊。

2.3 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊的選擇

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊選用眾山物聯(lián)的ZSD1410 4G模塊。該模塊采用獨(dú)立的32位ARM核心處理器，內(nèi)部集成高可靠性的復(fù)合式看門狗，DTU可以做到永不死機(jī)，并且使用七模全網(wǎng)通模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，支持國內(nèi)三大運(yùn)營商的所有網(wǎng)絡(luò)，支持PPP，TCP，UDP，ICMP等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，支持雙向透明傳輸，體積小，接口方便，支持腳本編程，具有配套的開發(fā)板和開發(fā)工具，極大地減少了二次開發(fā)的難度，傳輸速率較快，功耗較少，適合無人機(jī)使用。

3 設(shè)計(jì)與算法分析

3.1 四旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

四旋翼無人機(jī)的一組對角線上的旋翼采用順時(shí)針，另一對角線上的旋翼采用逆時(shí)針，這種設(shè)計(jì)可以抵消旋翼旋轉(zhuǎn)帶來的反扭矩力。無人機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化的直接原因就是4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，實(shí)現(xiàn)了升降、俯仰等運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示[4]。

圖2 無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 UAV dynamics model

可以簡化為數(shù)學(xué)模型[4]，即

3.2 Mahony互補(bǔ)濾波算法

互補(bǔ)濾波要求2個(gè)信號的干擾噪聲處在不同的頻率，通過設(shè)置2個(gè)濾波器的截止頻率，確保融合后的信號能夠覆蓋需求頻率。在IMU的姿態(tài)估計(jì)中，互補(bǔ)濾波器對陀螺儀（低頻噪聲）使用高通濾波；對加速度（高頻噪聲）使用低通濾波。系統(tǒng)通過該算法進(jìn)行姿態(tài)解算。計(jì)算過程[5]為

3.3 姿態(tài)控制PID算法

PID控制是最常見、應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)反饋系統(tǒng)。PID控制器由偏差的比例P（proportional）、積分 I（integral）和微分 D（derivative）來對被控對象進(jìn)行控制。在此，積分或微分都是偏差對時(shí)間的積分或微分，P和I提高穩(wěn)態(tài)精度，D提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，P和D提高響應(yīng)速度。因此，通過PID算法可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速性，增強(qiáng)抗干擾能力[6]。在此，采用雙環(huán)串級PID算法[6]，如圖3所示，角速度為內(nèi)環(huán)，角度為外環(huán)。

圖3 雙環(huán)PID控制算法Fig.3 Double-loop PID control algorithm

3.4 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信與上位機(jī)設(shè)計(jì)

目前，市售無人機(jī)普遍使用的控制系統(tǒng)基于2.4 GHz頻率，圖像傳輸多采用藍(lán)牙，雖然可以進(jìn)行穩(wěn)定、有效的信息交流，但是其最大的缺點(diǎn)是距離有限，超出控制范圍以后就會(huì)失去控制。而采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的無人機(jī)，可以擺脫距離的限制，只要是在有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號的地方，都可以完成控制。

隨著第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善和5G商用化的來臨，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即將迎來一波新的應(yīng)用高潮。5G網(wǎng)絡(luò)具有極高帶寬、超低延遲和高密度連接等特點(diǎn)，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)真正的萬物聯(lián)網(wǎng)、永不掉線，有望實(shí)現(xiàn)許多通過舊網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無法實(shí)現(xiàn)的新用例。在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)未大規(guī)模部署時(shí)，可暫時(shí)使用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)代替進(jìn)行系統(tǒng)測試。經(jīng)過測試，4G網(wǎng)絡(luò)模塊能夠基本滿足該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能需求，待5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署和商用化后，將4G網(wǎng)絡(luò)模塊替換為5G網(wǎng)絡(luò)模塊，以5G網(wǎng)絡(luò)極高帶寬、超低延遲和高密度連接等特點(diǎn)，將極大地提高本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為提高無人機(jī)控制系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性，并保證該系統(tǒng)的整體性能，軟件部分至關(guān)重要。為了提供友好的用戶體驗(yàn)，系統(tǒng)使用了C/S軟件體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器應(yīng)用為了適應(yīng)多種服務(wù)器系統(tǒng)的部署，采用微軟全新開源跨平臺應(yīng)用框架.Net Core，使用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)后臺應(yīng)用開發(fā)；PC端使用C#語言進(jìn)行Win 32應(yīng)用開發(fā)。為了保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定運(yùn)行，服務(wù)器應(yīng)用與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶端程序采用TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。用戶端程序能夠?qū)崟r(shí)地顯示飛行器的位置信息和基本參數(shù)，并且能夠?qū)⑽恢眯畔@示在地圖上。用戶端軟件如圖4所示。

4 控制距離的比較

圖4 用戶軟件界面Fig.4 User software interface

基于STM32F103ZET6單片機(jī)控制的多軸無人機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，采用了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)與無人機(jī)。通過比較各種控制手段的控制距離，具體見表1，彌補(bǔ)了目前無人機(jī)控制距離太短的不足。所設(shè)計(jì)無人機(jī)，采用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與上位機(jī)之間的通信交流。

表1 控制距離比較Tab.1 Control distance comparison

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)實(shí)情況的分析，該設(shè)計(jì)具有非常廣泛的應(yīng)用前景。如眾所周知令人頭疼的野外搜尋工作，若采用具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制無人機(jī)，來取代人力進(jìn)行一些復(fù)雜的搜尋、探測作業(yè)，不僅能夠節(jié)省大量的人力物力，而且不存在地面機(jī)器人存在的一些路況限制問題；也可以加裝各種空氣質(zhì)量傳感器，檢測空中PM 2.5等污染物含量，并通過機(jī)載的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)時(shí)的將檢測到的數(shù)據(jù)傳到相關(guān)機(jī)構(gòu)的云服務(wù)器，從而降低該工作的工作量，提高工作效率；還可以運(yùn)載一些急救藥品，在病人出現(xiàn)緊急病情時(shí)，可以從上位機(jī)上規(guī)劃出最近的道路，以最快的速度將藥物送到病人手中，克服了地面交通擁堵的問題、偏遠(yuǎn)地區(qū)交通不便的難題。