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

南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國家級實驗教學(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)流量控制的四軸無人機的操作系統(tǒng)

南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國家級實驗教學(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(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及陀螺儀和加速度計等設(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，將操控端GPRS模塊將信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸?shù)綗o人機上的GPRS模塊，然后通過機載GPRS模塊將信號轉(zhuǎn)化為電信號，使得無人機可以根據(jù)操作人員發(fā)出的指令做出各項高難度復(fù)雜動作，若在短時間內(nèi)沒有信號輸入，則無人機默認(rèn)為懸停狀態(tài)，若在既定的長時間內(nèi)沒有信號輸入，則無人機默認(rèn)為安全著陸并且執(zhí)行，只要有運營商的移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵詞】單片機；GPRS模塊；移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號；超視距操控

引言

隨著科學(xué)技術(shù)、自動化技術(shù)及飛行制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的無人機已經(jīng)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(yè)用的航拍無人機，無人機在我們的生活中已經(jīng)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(dá)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(zhì)的突破，可以完成人類飛行員無法完成的飛行任務(wù)，無人機的誕生也可以免除飛行員培養(yǎng)的高昂費用。

然而，現(xiàn)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(xiàn)代化常用設(shè)備操控，操縱終端通用性能差等種種問題。

目前，國內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)量有限，操控設(shè)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(wǎng)絡(luò)，利用GPRS模塊接收控制設(shè)備傳來的信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過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)全國覆蓋率已達(dá)到92%，除西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)幾乎每個地方都能接收的到GPRS網(wǎng)絡(luò)信號，現(xiàn)在各個運營商都在大力推行4G網(wǎng)絡(luò)，一但利用GPRS網(wǎng)絡(luò)控制無人機的技術(shù)成熟后，我們可以轉(zhuǎn)進4G網(wǎng)絡(luò)并在無人機上加上一個機載高清運動攝像頭，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)進用4G網(wǎng)絡(luò)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(fā)送指令給飛機上的GPRS模塊，GPRS模塊再將收到的信息發(fā)送給單片機，單片機再根據(jù)相應(yīng)的指令做出相應(yīng)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(shè)計

將GPRS模塊置于無人機上面，利用單片機技術(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及陀螺儀和加速度計等等設(shè)備使得我們可以遠(yuǎn)程利用網(wǎng)絡(luò)操控?zé)o人機。GPRS模塊可以將我們電腦上位機的操控信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綗o人機上面的GPRS模塊，然后通過GPRS模塊將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化為電信號，使得無人機可以做出上升，下降，轉(zhuǎn)彎，懸停等等的度復(fù)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(nèi)無信號輸入無人機則無人機默認(rèn)進行懸停，至十分鐘內(nèi)無信號輸入，無人機打開自帶降落傘進行保護性著陸。

技術(shù)成熟后我們將錄像設(shè)備固定于無人機上，將數(shù)字視頻信號利用先進的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信號，利用服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)信號傳輸至控制終端，實現(xiàn)無人機與操縱者的視界同步。

2.1四軸無人機設(shè)計

主控單片機STM32讀取MPU6050的加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)后進行互補濾波融合兩者數(shù)據(jù)得到飛機實時姿態(tài)的歐拉角，然后在通過PID算法實時控制四軸四個電機的轉(zhuǎn)速使飛機能夠自穩(wěn)而平衡的飛起來。GPRS模塊SIM7100C和單片機通過USART協(xié)議通信，將接收到的電腦上位機的指令發(fā)送給單片機STM32，STM32再根據(jù)指令對四軸做出相應(yīng)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(shè)置

電腦先安裝好上位機—TCP/UDP調(diào)試工具，打開TCP/UDP調(diào)試工具（ 圖一 ），選擇TCP server之后點擊創(chuàng)建，之后跳出來的監(jiān)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(fā)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(dāng)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(fā)送指令窗口

經(jīng)測試，在發(fā)送指令之后到飛機做出相應(yīng)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(yīng)用前景

該設(shè)計可以解決無人機受操控終端信號發(fā)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(shù)據(jù)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(shè)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(yōu)勢，可以進行室內(nèi)偵查、室外偵查、危險區(qū)域偵查。

4　結(jié)束語

GPRS網(wǎng)絡(luò)全國覆蓋率已達(dá)到92%，除西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)幾乎每個地方都能接收的到GPRS網(wǎng)絡(luò)信號，現(xiàn)在各個運營商都在大力推行4G網(wǎng)絡(luò)，一但利用GPRS網(wǎng)絡(luò)控制無人機的技術(shù)成熟后可以將智能手機作為信號接收系統(tǒng)，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(tǒng)則更關(guān)注直接將GPRS模塊置于無人機上，更專業(yè)化，更加穩(wěn)定安全。我們還可以轉(zhuǎn)進4G網(wǎng)絡(luò)并在無人機上加上一個機載高清運動攝像頭，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。

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