何永勃，賈 輝，姜 坤，馬婷婷

（1.中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300；2.南山航空學(xué)院機(jī)務(wù)工程系，山東煙臺 265703；3.中國移動蘭州分公司業(yè)務(wù)支撐中心，蘭州 730070）

基于Android終端陀螺儀傳感器的無人機(jī)飛行姿態(tài)控制

何永勃1*，賈 輝1，姜 坤2，馬婷婷3

（1.中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300；2.南山航空學(xué)院機(jī)務(wù)工程系，山東煙臺 265703；3.中國移動蘭州分公司業(yè)務(wù)支撐中心，蘭州 730070）

由于傳統(tǒng)的無人機(jī)無線電操控方式在遙控距離、數(shù)據(jù)傳輸規(guī)模及操縱的靈活性等方面有較大限制，提出了基于Android智能終端控制飛行姿態(tài)的設(shè)計方案。在Android平臺的傳感器框架下對陀螺儀狀態(tài)信息進(jìn)行三維空間實時解析和監(jiān)測，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取及變換，形成在線姿態(tài)模擬信息，編寫操控界面，實現(xiàn)了無人機(jī)姿態(tài)控制。結(jié)果表明，基于Android智能終端在線控制具有直觀、廉價、可移植性強(qiáng)等優(yōu)越性，有助于進(jìn)一步推動小型無人機(jī)操控方式的變革和發(fā)展。

飛行姿態(tài)控制；Android；陀螺儀傳感器；傳感器框架

傳統(tǒng)的航模和無人機(jī)操控一般采用專用的無線電遙控器［1］。雖然具有一定的靈活性和較好的安全性，但是隨著綜合化航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的操控模式越來越滯后于現(xiàn)實的需求和技術(shù)的發(fā)展，在控制距離、通用性、數(shù)據(jù)傳輸量等方面暴露出不足。首先，小型無人機(jī)操控平臺因發(fā)射功率的不同，控制距離一般在幾十米到幾百米，控制范圍有限，若想通過增加天線長度加大控制距離，將會導(dǎo)致功率消耗增加和設(shè)備體積的增大，操控平臺便攜性降低；其次，市場在售的操控平臺缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，操作方式單一，其通用性和交互性均不夠理想；再次，由于一些場合的視頻傳輸要求和控制復(fù)雜度的提升，傳統(tǒng)的無線電操控方式在數(shù)據(jù)傳輸方面也存在較大限制。

因此本文提出利用Android智能終端控制［2］飛行姿態(tài)的設(shè)計方案，以Android系統(tǒng)為軟件設(shè)計平臺，采用內(nèi)置陀螺儀傳感器的智能終端進(jìn)行無人機(jī)飛行姿態(tài)感知和模擬。國內(nèi)鮮見相關(guān)研究，國際上，法國派諾特公司提出用手機(jī)控制飛行器，推出四旋翼航模AR.Drone，它自身能發(fā)射wifi信號，理論作用距離僅在50 m之內(nèi)。

目前采用Android系統(tǒng)的手機(jī)及Pad等智能終端應(yīng)用十分廣泛。其控制范圍可以覆蓋移動互聯(lián)網(wǎng)所在的任何區(qū)域。Android智能終端便于攜帶、功能集成，可以運(yùn)行功能豐富的App，操作直觀，易于實現(xiàn)功能擴(kuò)展和更新完善，有利于飛行控制軟件的再次開發(fā)，成本低廉。借助于移動互聯(lián)網(wǎng)，Android智能終端可以實現(xiàn)大量視頻數(shù)據(jù)的傳輸。這些優(yōu)點都是傳統(tǒng)的無線電操控方式所不具備的。

本文以陀螺儀傳感器為研究主體，通過Android系統(tǒng)平臺開發(fā)出相關(guān)子程序，讀取陀螺儀傳感器的姿態(tài)信息并反演為實時姿態(tài)控制信號，展現(xiàn)在Android智能終端屏幕上，證明了利用Android智能終端控制飛行姿態(tài)的方案具備可行性。

1 整體架構(gòu)設(shè)計

使用陀螺儀傳感器動態(tài)［3］地模擬無人機(jī)飛行姿態(tài)［4］，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體架構(gòu)圖

硬件方面，本設(shè)計僅需內(nèi)置有陀螺儀傳感器芯片的智能終端。軟件設(shè)計方面，采用了基于Android系統(tǒng)的全新設(shè)計理念。在對智能終端姿態(tài)變化準(zhǔn)確感知的基礎(chǔ)上，正確使用和監(jiān)聽傳感器事件，合理運(yùn)用傳感器相關(guān)類及對象，在傳感器框架下使用面向?qū)ο驤ava語言和XML編程語言進(jìn)行Android仿真開發(fā)，最終，飛行姿態(tài)控制信息動態(tài)地呈現(xiàn)在智能終端屏幕上。

2 總體設(shè)計過程

2.1 陀螺儀傳感器

iPhone 4是第一款采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀傳感器［5］的智能終端，可以跟蹤并捕捉智能終端在三維空間中的運(yùn)動，為用戶提供現(xiàn)場感很強(qiáng)的使用體驗，由此開啟了運(yùn)動控制式用戶界面的新時代。隨著用戶對智能終端功能要求的不斷提高，目前市面上大部分智能終端都已經(jīng)內(nèi)置了MEMS陀螺儀傳感器芯片。

MEMS陀螺儀傳感器芯片體積小，重量輕，慣性小，諧振頻率高，響應(yīng)時間短［6］，非常適合應(yīng)用于智能終端。該芯片由一塊封裝而成的金屬片組成，當(dāng)驅(qū)動信號加載于驅(qū)動電容片時，金屬片將產(chǎn)生振動。當(dāng)智能終端發(fā)生偏轉(zhuǎn)、傾斜時，由于科里奧利力（Coriolisforce）的作用，金屬片在X、Y、Z軸產(chǎn)生偏移，專用電路能感知這些微小的轉(zhuǎn)動角速度，并將其轉(zhuǎn)換成智能終端可以接收到的數(shù)字信號，以完成對轉(zhuǎn)動、偏轉(zhuǎn)等動作的測量［4-5，7］。由此可以精確地分析并判斷操作者對智能終端施加的具體動作。

2.2 陀螺儀傳感器空間姿態(tài)分析

對陀螺儀傳感器空間姿態(tài)的分析，需在特定的坐標(biāo)系下完成，常使用標(biāo)準(zhǔn)三維坐標(biāo)系進(jìn)行定位［8-9］。智能終端硬件工程師通常按以下方式設(shè)定坐標(biāo)系，以屏幕為參照物，X軸表示從左到右的水平方向，Y軸表示自下而上的垂直方向，Z軸表示相對屏幕表面由內(nèi)而外的方向［3，10］，如圖2中實線所示。

陀螺儀傳感器的參考坐標(biāo)系是陀螺儀傳感器當(dāng)前所在位置的地平坐標(biāo)系，由于陀螺效應(yīng)，陀螺儀傳感器的3個軸向始終與參考軸向平行。姿態(tài)發(fā)生變化時，智能終端所設(shè)定的實際坐標(biāo)系軸向與陀螺儀傳感器的參考坐標(biāo)系軸向之間形成滾轉(zhuǎn)角φ，俯仰角θ及偏航角ψ［7］，其關(guān)系如圖2所示，虛線所示為參考坐標(biāo)系。

圖2 手機(jī)姿態(tài)變化時的坐標(biāo)系

陀螺儀傳感器的坐標(biāo)系設(shè)定逆時針旋轉(zhuǎn)為正方向，即處于原始方位的設(shè)備，如果逆時針旋轉(zhuǎn)，其接收的數(shù)值為正值。陀螺儀傳感器的測量值是任意時刻坐標(biāo)系物理三維方向（x、y和z軸）的轉(zhuǎn)動角速度［11-12］。而智能終端的滾轉(zhuǎn)角φ，俯仰角θ及偏航角ψ，其實質(zhì)是一組歐拉角［15］，因此需采用歐拉角公式確定智能終端運(yùn)動坐標(biāo)系相對于陀螺儀傳感器參考坐標(biāo)系的角位置變換關(guān)系，如式（1）所示。

式中：p、q、r分別表示滾轉(zhuǎn)角速度、俯仰角速度和偏轉(zhuǎn)角速度。

2.3 傳感器框架搭建

在Android系統(tǒng)中，傳感器的開發(fā)是在傳感器框架下進(jìn)行的，傳感器相關(guān)類和傳感器事件的使用都要遵循特定的規(guī)則，統(tǒng)一的框架和接口不僅有助于設(shè)計人員開發(fā)過程中的規(guī)范化處理，而且有助于軟件的更新和升級。

2.3.1 傳感器相關(guān)類

Android傳感器框架［13］是 android.hardware包的子部分，通過該框架下傳感器相關(guān)類的使用，可以對傳感器進(jìn)行訪問并讀取原始數(shù)據(jù)，傳感器相關(guān)類之間的關(guān)系如圖3所示。

①SensorManager類

用以創(chuàng)建陀螺儀傳感器實例。該類提供多種方法，用于訪問及獲取傳感器列表、注冊及注銷傳感器事件監(jiān)聽器等。與此同時該類還提供了多個傳感器常量，用于報告?zhèn)鞲衅骶?、設(shè)置數(shù)據(jù)采樣率和校準(zhǔn)傳感器。

②Sensor類

用于為傳感器提供各項服務(wù)，例如傳感器類型的選擇、數(shù)據(jù)的獲取等。

圖3 傳感器相關(guān)類關(guān)系圖

③SensorEventListener類

通過創(chuàng)建回調(diào)方法，捕捉和接收因傳感器數(shù)值或精度變化產(chǎn)生的傳感器事件。

④SensorEvent類

用于創(chuàng)建陀螺儀傳感器事件的對象，提供陀螺儀傳感器事件的相關(guān)信息，例如原始數(shù)據(jù)、生成本事件的傳感器類型、數(shù)據(jù)的精度、事件的時間戳。

2.3.2 API下的傳感器事件

Framework API對傳感器進(jìn)行了封裝，提供了一個傳感器類，開發(fā)者根據(jù)設(shè)計需求獲得傳感器類型。在此，陀螺儀傳感器選擇TYPE_GYROSCOPE類。

手機(jī)陀螺儀傳感器測量值的實質(zhì)為手機(jī)圍繞每個物理三維方向（x、y和z軸）的轉(zhuǎn)動角速度，當(dāng)手機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生相應(yīng)的傳感器事件。因此在設(shè)計上以毫秒為周期設(shè)定觸發(fā)機(jī)制，定期監(jiān)聽傳感器事件，并加以功能邏輯分析，從中獲取有效信息。

圖4 軟件示意圖

2.4 陀螺儀傳感器模擬飛行姿態(tài)的軟件實現(xiàn)過程

在Android程序設(shè)計中，以事件監(jiān)聽器（eventlistener）的方式來處理UI用戶事件。每個事件監(jiān)聽器都包含一個回調(diào)函數(shù)（Callback Method），用來回應(yīng)和處理用戶的操作。通常在程序 Activity的onResume（）中啟動服務(wù)，在onPause（）中停止服務(wù)程序。在一個Activity生命周期［14］內(nèi)，該軟件運(yùn)行過程如圖4所示。

與傳感器進(jìn)行交互［10］，應(yīng)用程序必須注冊和監(jiān)聽［13］與傳感器有關(guān)的各項活動。Android平臺提供registerListener方法來注冊傳感器，并提供unregisterListener方法來卸載傳感器。以下是軟件開發(fā)過程中的核心內(nèi)容。

①注冊傳感器

protected void onResume（）｛

super.onResume（）；

mSensorManager.registerListener（this，mGyroscope，Sensor-Manager.SENSOR_DELAY_FASTEST）；｝

其中registerListener方法包含3個參數(shù)，分別表示接收信號的Listener實例，接收的傳感器類型的列表，即上一步創(chuàng)建的List＜Sensor＞對象，以及接收數(shù)據(jù)的頻度。

在調(diào)用 registerListener（）時指定了數(shù)據(jù)延時SENSOR_DELAY_FASTEST，該延時（采樣率）控制著onSensorChanged（）發(fā)送給應(yīng)用程序的傳感器事件的觸發(fā)間隔。無人機(jī)姿態(tài)控制對實時性要求較高，需采用更小的延時以縮短采樣間隔，提高采樣頻率，故指定SENSOR_DELAY_FASTEST。

②卸載傳感器

protected void onPause（）｛

super.onPause（）；

mSensorManager.unregisterListener（this）；｝

卸載傳感器是為了保證在不使用傳感器時及時關(guān)閉傳感器，特別是當(dāng)Activity被暫停時。若陀螺儀傳感器一直處于運(yùn)行狀態(tài)，會持續(xù)消耗電池電量。

③SensorEventListener的相關(guān)方法

SensorEventListener是使用傳感器的核心所在，必須實現(xiàn)以下兩個方法：

（a）onSensorChanged（SensorEvent event）方法在傳感器值更改時被調(diào)用。該方法只被受此應(yīng)用程序監(jiān)視的傳感器調(diào)用，其參數(shù)包括一個SensorEvent對象，利用該對象可獲得傳感器測得的具體信息：

float x=event.values［SensorManager.DATA_X］；

float y=event.values［SensorManager.DATA_Y］；

float z=event.values［SensorManager.DATA_Z］；

（b）onAccuracyChanged（Sensor sensor，int accuracy）方法在傳感器精確度發(fā)生改變時調(diào)用，其參數(shù)有兩個：一個表示傳感器，另一個表示該傳感器新的精確值。

3 運(yùn)行結(jié)果

基于上述內(nèi)容，本文通過軟件開發(fā)平臺測試整體的功能實現(xiàn)效果，該平臺基于Android 3.0，通過在Eclipse中創(chuàng)建Android程序包項目，執(zhí)行 Android tools下的Export Unsigned Application Package操作指令，對程序進(jìn)行打包封裝，并生成APK文件，下載到紅米手機(jī)中運(yùn)行，運(yùn)行效果如圖5所示。圖5（a）為水平位置時的飛行姿態(tài)圖，b圖為傾斜位置時的飛行姿態(tài)圖，水平刻度表示無人機(jī)的朝向，垂直刻度表示無人機(jī)的俯仰角度，灰黑交界線表示無人機(jī)的側(cè)滾程度，手機(jī)在水平位置和發(fā)生傾斜時皆能模擬飛行姿態(tài)，且運(yùn)行流暢，滿足設(shè)計要求，驗證了本方案的可行性。

圖5 運(yùn)行效果圖

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)論述了以陀螺儀傳感器為開發(fā)主體，模擬并控制無人機(jī)飛行姿態(tài)的相關(guān)問題。隨著智能終端姿態(tài)不斷變化，陀螺儀傳感器收集到的信息不斷更新，通過合理的姿態(tài)分析，在Android傳感器框架下進(jìn)行代碼編輯，實現(xiàn)實時飛行姿態(tài)的模擬，從而得到控制飛行姿態(tài)所需要的信息。作為一款A(yù)ndroid飛行控制軟件下的重要部分，陀螺儀傳感器的開發(fā)效果直接影響到該款A(yù)ndroid飛行控制軟件的性能。本文作為Android智能終端控制無人機(jī)的一種探索，有非常積極的實用價值。

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何永勃（1971-），男，陜西蒲城人，漢族，中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究領(lǐng)域為航空電氣、自動化儀表；

賈 輝（1985-），男，甘肅張掖人，漢族，中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院在讀碩士，主要研究方向為無人機(jī)控制。

UAV Attitude Control Based on Gyroscope Sensor of the Android Terminal

HE Yongbo1*，JIA Hui1，JIANG Kun2，MA Tingting3
（1.Civil Aviation University of China，College of Aeronautical Automation，Tianjin 300300，China；2.Nanshan Aeronautical College，Maintenance engineering department，Yantai Shandong 265703，China；3.China mobile Communication Company Lanzhou branch，Business support center，Lanzhou 730070，China）

UAV is usually controlled with a radio based remote controller，which has many limitations such as short distance，less data and low flexibility.A design scheme based on Android intelligent terminal is proposed to control the flight attitude.With the help of the sensors framework，the three dimensional state information of gyroscope integrated in the Android device can be collected.Further，these data is transformed to consist the real time attitude simulation information.Finally，a software is designed to control the attitude of UAV.The Android based controller has the advantages of intuition，low price and portability，which is conducive to further reform and development of control methods to small UAV.

flight attitude control；Android；gyroscope sensor；sensor framework

TP391

A

1004-1699（2015）04-0474-05

7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.004

2014-11-19 修改日期：2015-01-15