南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 楊志豪 陳鳳英 陶則旭 史圣達(dá) 程 永 李錚楨

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基于GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量控制的四軸無(wú)人機(jī)的操作系統(tǒng)

南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 楊志豪 陳鳳英 陶則旭 史圣達(dá) 程 永 李錚楨

【摘要】本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)及GPRS模塊和陀螺儀以及加速計(jì)裝置的無(wú)人機(jī)，將GPRS模塊置于四旋翼無(wú)人機(jī)上，利用單片機(jī)技術(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及陀螺儀和加速度計(jì)等設(shè)備使得操作人員可以遠(yuǎn)程利用網(wǎng)絡(luò)操控?zé)o人機(jī)，將操控端GPRS模塊將信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上的GPRS模塊，然后通過(guò)機(jī)載GPRS模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，使得無(wú)人機(jī)可以根據(jù)操作人員發(fā)出的指令做出各項(xiàng)高難度復(fù)雜動(dòng)作，若在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有信號(hào)輸入，則無(wú)人機(jī)默認(rèn)為懸停狀態(tài)，若在既定的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有信號(hào)輸入，則無(wú)人機(jī)默認(rèn)為安全著陸并且執(zhí)行，只要有運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)即可正常運(yùn)行，做到無(wú)人機(jī)擺脫對(duì)操控終端操控距離的限制。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；GPRS模塊；移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)；超視距操控

引言

隨著科學(xué)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及飛行制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的無(wú)人機(jī)已經(jīng)漸漸走進(jìn)了我們的生活中。無(wú)論是軍用的偵查無(wú)人機(jī)還是商業(yè)用的航拍無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)在我們的生活中已經(jīng)扮演了不可或缺的角色。無(wú)人機(jī)的誕生使得人類(lèi)可以利用無(wú)人機(jī)前往一些載人飛機(jī)無(wú)法到達(dá)的地方，同時(shí)無(wú)人機(jī)的誕生也使得人類(lèi)在飛機(jī)控制上有了質(zhì)的突破，可以完成人類(lèi)飛行員無(wú)法完成的飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)的誕生也可以免除飛行員培養(yǎng)的高昂費(fèi)用。

然而，現(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)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(xiàn)代化常用設(shè)備操控，操縱終端通用性能差等種種問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)的操控主要依靠2.4G頻率電磁波將操縱信號(hào)傳輸至無(wú)人機(jī)，然后將電磁波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)從而使得無(wú)人機(jī)完成各種飛行動(dòng)作，但是由于2.4G頻率電磁波信號(hào)傳輸距離短，傳遞信息數(shù)量有限，操控設(shè)備通用性差，使得無(wú)人機(jī)的功能受到了種種的局限，若是采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，利用GPRS模塊接收控制設(shè)備傳來(lái)的信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，傳回至操控者處，情況將大為改觀。

GPRS網(wǎng)絡(luò)全國(guó)覆蓋率已達(dá)到92%，除西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)幾乎每個(gè)地方都能接收的到GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，現(xiàn)在各個(gè)運(yùn)營(yíng)商都在大力推行4G網(wǎng)絡(luò)，一但利用GPRS網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)人機(jī)的技術(shù)成熟后，我們可以轉(zhuǎn)進(jìn)4G網(wǎng)絡(luò)并在無(wú)人機(jī)上加上一個(gè)機(jī)載高清運(yùn)動(dòng)攝像頭，4G網(wǎng)絡(luò)下載速度可達(dá)100Mbps，上傳速度可達(dá)20Mbps，這個(gè)速度已經(jīng)滿足了傳輸高清視頻的要求了。所以，一但轉(zhuǎn)進(jìn)用4G網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)人機(jī)，只要電池滿足的情況下，無(wú)人機(jī)哪里都可以飛。

1　基本原理

電腦上位機(jī)發(fā)送指令給飛機(jī)上的GPRS模塊，GPRS模塊再將收到的信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)相應(yīng)的指令做出相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)GPRS模塊也可以將飛機(jī)的實(shí)時(shí)信息返回給上位機(jī)，使操縱者可以了解飛機(jī)的實(shí)時(shí)信息。

2　總體設(shè)計(jì)

將GPRS模塊置于無(wú)人機(jī)上面，利用單片機(jī)技術(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及陀螺儀和加速度計(jì)等等設(shè)備使得我們可以遠(yuǎn)程利用網(wǎng)絡(luò)操控?zé)o人機(jī)。GPRS模塊可以將我們電腦上位機(jī)的操控信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)上面的GPRS模塊，然后通過(guò)GPRS模塊將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，使得無(wú)人機(jī)可以做出上升，下降，轉(zhuǎn)彎，懸停等等的度復(fù)雜動(dòng)作，同時(shí)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(jī)進(jìn)行輔助控制若是一秒內(nèi)無(wú)信號(hào)輸入無(wú)人機(jī)則無(wú)人機(jī)默認(rèn)進(jìn)行懸停，至十分鐘內(nèi)無(wú)信號(hào)輸入，無(wú)人機(jī)打開(kāi)自帶降落傘進(jìn)行保護(hù)性著陸。

技術(shù)成熟后我們將錄像設(shè)備固定于無(wú)人機(jī)上，將數(shù)字視頻信號(hào)利用先進(jìn)的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，利用服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸至控制終端，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與操縱者的視界同步。

2.1四軸無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

主控單片機(jī)STM32讀取MPU6050的加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)后進(jìn)行互補(bǔ)濾波融合兩者數(shù)據(jù)得到飛機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)的歐拉角，然后在通過(guò)PID算法實(shí)時(shí)控制四軸四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使飛機(jī)能夠自穩(wěn)而平衡的飛起來(lái)。GPRS模塊SIM7100C和單片機(jī)通過(guò)USART協(xié)議通信，將接收到的電腦上位機(jī)的指令發(fā)送給單片機(jī)STM32，STM32再根據(jù)指令對(duì)四軸做出相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)飛機(jī)也會(huì)將四軸實(shí)時(shí)信息傳回電腦上位機(jī)。

圖一　飛機(jī)各個(gè)模塊物理連接示意圖

2.2上位機(jī)設(shè)置

電腦先安裝好上位機(jī)—TCP/UDP調(diào)試工具，打開(kāi)TCP/UDP調(diào)試工具（ 圖一 ），選擇TCP server之后點(diǎn)擊創(chuàng)建，之后跳出來(lái)的監(jiān)聽(tīng)端口號(hào)選項(xiàng)選擇32001再點(diǎn)擊確定即可自動(dòng)連接飛機(jī)上的SIM7100C模塊，通過(guò)上位機(jī)向飛機(jī)發(fā)送指令即可控制飛機(jī)（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(shí)針自旋）；（6）CMD：LANDING（自動(dòng)降落）；（7）CMD：STOP（懸停）；（8）CMD：STATE（讀取飛機(jī)當(dāng)前信息：溫度、高度、電池電量），共8個(gè)指令。這8個(gè)指令即可控制飛機(jī)做出各種各樣的動(dòng)作。

圖二　上位機(jī)打開(kāi)初始界面

圖三　上位機(jī)發(fā)送指令窗口

經(jīng)測(cè)試，在發(fā)送指令之后到飛機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作之間有大約0.4S延時(shí)，GPRS通信0.4S的延時(shí)在控制低速無(wú)人機(jī)還是可以接受的。

3　應(yīng)用前景

該設(shè)計(jì)可以解決無(wú)人機(jī)受操控終端信號(hào)發(fā)射距離的限制，解決使得無(wú)人機(jī)的操控距離大大加大，甚至可以使得無(wú)人機(jī)擺脫對(duì)操控終端操控

距離的限制，真正的做到哪里有手機(jī)信號(hào)，無(wú)人機(jī)就可以從哪里起飛，就可以在哪里飛行。也可以使得無(wú)人機(jī)將實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)傳回給操控者，使得無(wú)人機(jī)的操縱更加容易。同時(shí)也能降低無(wú)人機(jī)對(duì)操縱終端的要求，操縱者們甚至可以利用移動(dòng)智能手機(jī)，電腦等工具對(duì)無(wú)人機(jī)的操縱。

該設(shè)計(jì)不但能夠使得無(wú)人機(jī)的普及進(jìn)入一個(gè)更高的階段同時(shí)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(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)行室內(nèi)偵查、室外偵查、危險(xiǎn)區(qū)域偵查。

4　結(jié)束語(yǔ)

GPRS網(wǎng)絡(luò)全國(guó)覆蓋率已達(dá)到92%，除西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)幾乎每個(gè)地方都能接收的到GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，現(xiàn)在各個(gè)運(yùn)營(yíng)商都在大力推行4G網(wǎng)絡(luò)，一但利用GPRS網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)人機(jī)的技術(shù)成熟后可以將智能手機(jī)作為信號(hào)接收系統(tǒng)，這樣就可以用手機(jī)控制飛機(jī)。而基于GPRS模塊的無(wú)人機(jī)的操作系統(tǒng)則更關(guān)注直接將GPRS模塊置于無(wú)人機(jī)上，更專(zhuān)業(yè)化，更加穩(wěn)定安全。我們還可以轉(zhuǎn)進(jìn)4G網(wǎng)絡(luò)并在無(wú)人機(jī)上加上一個(gè)機(jī)載高清運(yùn)動(dòng)攝像頭，4G網(wǎng)絡(luò)下載速度可達(dá)100Mbps，上傳速度可達(dá)20Mbps，這使得無(wú)人機(jī)的普及進(jìn)入一個(gè)更高的階段同時(shí)甚至還能用于軍方科技用于軍事偵查。

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