基于WIFI的四旋翼微型勘測(cè)飛行器手機(jī)控制端設(shè)計(jì)

桂玲+李路+周黃晴+張為民+黃明飛+王雙雙

【摘 要】本文所設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)以Android手機(jī)為基礎(chǔ)，以WIFI為通信網(wǎng)絡(luò)，從如何搭建Android開(kāi)發(fā)環(huán)境入手，通過(guò)對(duì)界面布局、視頻流獲取、信息交互、異常捕獲、權(quán)限控制等幾個(gè)方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼微型勘測(cè)器飛行等的控制，并能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)高清攝像頭、環(huán)境檢測(cè)傳感器所采集的圖像和文本數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與顯示，調(diào)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線WIFI；Android手機(jī)；應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)資源大國(guó)，野外資源豐富，對(duì)野外資源實(shí)地勘測(cè)任務(wù)艱巨。由于野外資源分布廣，加之地形復(fù)雜惡劣、森林覆蓋率大、未知區(qū)域居多等這些不利條件都給野外工作人員帶來(lái)了極大不便。

本系統(tǒng)通過(guò)嵌入式Android手機(jī)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制四旋翼微型勘測(cè)飛行器，該平臺(tái)利用高清攝像頭來(lái)采集作業(yè)面環(huán)境圖像，利用多種環(huán)境探測(cè)器和GPS定位，探測(cè)環(huán)境實(shí)情；并通過(guò)WIFI將視頻和勘測(cè)信息實(shí)時(shí)回傳給手機(jī)，以便直觀地掌握當(dāng)前的勘測(cè)情況。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，整個(gè)勘測(cè)平臺(tái)搭載于四旋翼飛行器上，為保證整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定，每個(gè)重要功能由單獨(dú)的處理器處理，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示：

其中，飛控主要解算姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)以獲得當(dāng)前飛行器的姿態(tài)信息并調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持飛行器的平穩(wěn)和飛行方向控制；主控，主要保證飛行器和控制端的連接穩(wěn)定，解析和創(chuàng)建數(shù)據(jù)包，并傳遞控制指令給飛控。WIFI是建立手持控制端與主控間通信的媒介。手持控制端是控制整個(gè)勘測(cè)飛行器的工作，在整個(gè)系統(tǒng)的大腦，本文將具體對(duì)它的設(shè)計(jì)做闡述。

1 系統(tǒng)分析

現(xiàn)在的智能手機(jī)一般有WiFi、藍(lán)牙、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)三種通信方式，相比而言WiFi是最合適做控制的短距離通信協(xié)議。通信平臺(tái)通過(guò)寫(xiě)入OpenWRT系統(tǒng)的TP-LINKWR703N路由器和手機(jī)無(wú)線連接。OpenWRT是嵌入式設(shè)備上運(yùn)行的linux系統(tǒng)，附帶3000左右的軟件包，開(kāi)發(fā)者無(wú)需在每一次修改后重新編譯，且用戶可以方便的自定義功能來(lái)制作固件。也可以方便的移植各類功能到openwrt下[1]。而Android操作系統(tǒng)是基于Linux系統(tǒng)研發(fā)的一款開(kāi)源的手機(jī)操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。由于Android提供了豐富的封裝庫(kù)，編程時(shí)無(wú)需在意系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)和兼容性，現(xiàn)已然在現(xiàn)今智能手機(jī)操作系統(tǒng)市場(chǎng)占有率為首位。

路由器里的OpenWRT系統(tǒng)帶有Mjpeg stream插件，可以把從USB攝像頭采集的圖像轉(zhuǎn)換成流媒體輸出，可以通過(guò)文件或者HTTP形式得到視頻。路由器帶有調(diào)試用串口引腳，通過(guò)配置系統(tǒng)文件可以讓路由器將網(wǎng)絡(luò)端口（TCP/IP協(xié)議）的數(shù)據(jù)經(jīng)串口輸出，同樣也可以把串口的數(shù)據(jù)傳送的到網(wǎng)絡(luò)端口上。從而下位機(jī)（主控）通過(guò)串口便可以和上位機(jī)（手持控制端，如手機(jī)）的網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)現(xiàn)信息的透?jìng)?。由此，手機(jī)端需要打開(kāi)兩個(gè)連接端口，一個(gè)從Mjpeg-stream中獲得圖像信息，另一個(gè)和下位機(jī)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示：

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 搭建Android開(kāi)發(fā)環(huán)境

2.1.1 安裝JDK

根據(jù)電腦的操作系統(tǒng)從Oracle公司官網(wǎng)下載對(duì)應(yīng)的JDK；下載完成后根據(jù)安裝向?qū)崾就瓿蒍DK的安裝。

2.1.2 環(huán)境配置

JDK安裝完成后，打開(kāi)Windows系統(tǒng)的命令窗口，在其中輸入“java-version”，若在下面顯示了Java的版本號(hào)說(shuō)明已經(jīng)安裝成功；否則要手動(dòng)配置系統(tǒng)環(huán)境。配置過(guò)程如下：按如下步驟打開(kāi)系統(tǒng)環(huán)境變量設(shè)置窗口，計(jì)算機(jī)->屬性->更改設(shè)置->高級(jí)->環(huán)境變量，然后在系統(tǒng)變量處新建，變量名為“JAVA_HOME”，變量值中填剛才JDK安裝的路徑，如“C：＼Program Files＼Java＼jdk1.8.0_25”；點(diǎn)擊確定后，再新建一個(gè)變量名為classpath，變量值為“.；%JAVA_HOME%/lib/rt.jar；%JAVA_HOME%/lib/tools.jar”；點(diǎn)擊確定后，找到變量Path，在變量值后加”；%HAVA_HOME%/bin“；最后通過(guò)命令窗口驗(yàn)證JDK是否成功安裝。

2.1.3 開(kāi)發(fā)工具

從Android下載適合電腦系統(tǒng)的集成ADT的Eclipse開(kāi)發(fā)工具，解壓后便可直接打開(kāi)Eclipse開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2.2 新建Android應(yīng)用程序

在Eclipse項(xiàng)目管理窗口點(diǎn)擊右鍵，依次New->Android Application Project->Next，根據(jù)新建工程向?qū)гO(shè)置應(yīng)用名、工程名、包名和應(yīng)用程序圖標(biāo)等，所有需要設(shè)置的設(shè)置完成之后點(diǎn)擊Finish完成，至此應(yīng)用程序的新建已經(jīng)完成。

2.3 界面布局

顯示和控制是人機(jī)交互的重要環(huán)節(jié)。上位機(jī)UI操作界面包括攝像頭舵機(jī)俯仰左右轉(zhuǎn)動(dòng)、飛行器前后左右飛行、傳感器數(shù)據(jù)顯示和圖像畫(huà)面顯示。前三項(xiàng)分別用Button（按鍵）、TextView（文本）、ImageView（圖片）控件即可實(shí)現(xiàn)；視頻圖像即通過(guò)繼承SurfaceView類在屏幕上顯示實(shí)時(shí)圖像。

整個(gè)布局以RelativeLayout（相對(duì)布局）為父本，在其中分別放置子控件Button（按鍵控件）、ImageView（圖片控件）和TextView（文本控件），設(shè)置控件大小、添加控件ID和其在父控件的位置。新建MySurfaceView.class繼承SurfaceView類，添加自定義的控件到布局文件里，設(shè)置高度和寬度為“fill_parent”（填充父本）并添加ID。

添加控制按鍵：

android：id="@+id/button_front"

android：layout_width="wrap_content"

android：layout_height="wrap_content"

android：layout_alignParentLeft="true"

android：layout_alignParentTop="true"

android：layout_marginLeft="20dp"

android：layout_marginTop="70dp" />

第1行添加控件ID，ID號(hào)為32位的常量，通常由編譯工具自動(dòng)生成存于R.java里；第2行、3行分別設(shè)置控件寬高，余下4行設(shè)置控件在父本中的位置。

添加自定義的控件：

android：id="@+id/mySurfaceViewVideo"

android：layout_width="fill_parent"

android：layout_height="fill_parent" />

至此，界面布局已經(jīng)基本完成，在Activity中加載布局文件即完成了整個(gè)布局的設(shè)置[2-3]。

2.4 視頻流獲取

在對(duì)路由器進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，本文在OpenWRT系統(tǒng)中裝了mjpg-streamer應(yīng)用，這樣便能方便地把攝像頭所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻流[2]。mjpg-streamer可以通過(guò)文件或者是HTTP方式訪問(wèn)linux UVC兼容攝像頭。為此，要在MySurfaceView.class里新建線程用于接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，在接收之前需要建立一塊緩存區(qū)，用于存放接收到的數(shù)據(jù)。以URL發(fā)起請(qǐng)求，然后等待服務(wù)器（路由器）返回應(yīng)答。新建單獨(dú)的線程完成視頻流的獲取與圖像顯示[4]。

主要代碼如下：

url = new URL（urlstr）；

urlConn = （HttpURLConnection） url.openConnection（）；

read = urlConn.getInputStream（）.read（buffer， 0， readSize）；

以上代碼必須捕獲異常。

服務(wù)器應(yīng)答后，接下來(lái)就要解析出圖片數(shù)據(jù)并顯示到屏幕上。由于服務(wù)器應(yīng)答是HTTP超文本傳輸協(xié)議，我們需要解析出圖像數(shù)據(jù)。JPEG圖像每個(gè)標(biāo)記都是由兩個(gè)字節(jié)組成，其中，前一個(gè)字節(jié)固定值0xFF，0xFF 0xD8標(biāo)記圖像開(kāi)始，0xFF 0xD9標(biāo)記圖像結(jié)束。截取中間段即為圖像信息，然后通過(guò)轉(zhuǎn)碼轉(zhuǎn)成Bitmap圖像，轉(zhuǎn)換圖像大小，繪制圖像，主要代碼如下：

Canvascanvas = surfaceHolder.lockCanvas（） ； //獲得canvas對(duì)象

Bitmap bmp = BitmapFactory.decodeStream（new ByteArrayInputStream（jpg_buf））；

mBitmap = Bitmap.createScaledBitmap（bmp， width， height， false）；

canvas.drawBitmap（mBitmap，（mScreenWidth-width）/2，（mScreenHeight-height）/2， null）；

surfaceHolder.unlockCanvasAndPost（canvas）； //釋放canvas鎖，并且顯示視圖

2.5 信息交互

Activity生命周期里，啟動(dòng)Activity時(shí)系統(tǒng)會(huì)先調(diào)用onCreate方法，Activity退出時(shí)會(huì)調(diào)用onDestroy方法。通常在onCreate方法里進(jìn)行按鍵綁定、變量初始化等一系列Activity初始化操作，而在onDestroy方法里釋放資源。

2.5.1 綁定按鍵

在MainActivity.class的onCreate方法里為控件綁定監(jiān)聽(tīng)器，這樣當(dāng)這個(gè)按鍵被按下時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)監(jiān)聽(tīng)函數(shù)，便可以在按鍵被按下時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

按鍵綁定監(jiān)聽(tīng)器：

findViewById（R.id. button_front）.

setOnClickListener（new View.OnClickListener（） {

@Override

public void onClick（View arg0） {

// TODO Auto-generated method stub

sendfrontData（）；

}

}）；

在onClick方法里寫(xiě)按鍵操作的代碼，當(dāng)綁定的按鍵被按下此段代碼將會(huì)被調(diào)用。

2.5.2 獲取輸入流和輸出流

新建一個(gè)Socket連接，此連接用來(lái)和下位機(jī)串口間數(shù)據(jù)透?jìng)?。依?jù)OpenWRT里設(shè)置的地址和端口打開(kāi)Secket連接，并獲得Socket的輸入流和輸出流，主要代碼如下：

mSocketClient = new Socket（CtrlIp， CtrlPort）；

inStream = mSocketClient.getInputStream（）；

outStream = mSocketClient.getOutputStream（）；

打開(kāi)Socket連接，獲得當(dāng)前Socket的輸入輸出流。以上代碼必須捕獲異常。新建接收線程，接收下位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并解析和更新UI。

new Thread（）{

@Override

public void run（） {

// TODO Auto-generated method stub

super.run（）；

while（true） {

inStream.read（buffer）；

parseData（buffer）；

}

}

}.start（）；

只有在run方法里寫(xiě)入自己的代碼，當(dāng)線程運(yùn)行后會(huì)直接調(diào)用run方法，整個(gè)代碼在循環(huán)體內(nèi)，Socket接收到數(shù)據(jù)后，在線程調(diào)用數(shù)據(jù)解析方法解析數(shù)據(jù)并更新到UI界面。

2.5.3 UI更新

下位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)有狀態(tài)信息和其他數(shù)據(jù)信息，主要顯示方式為文本顯示。Android系統(tǒng)里，文本顯示由TextView控件實(shí)現(xiàn)，若要顯示文本到屏幕，首先需要獲得文本控件的ID號(hào)，然后再設(shè)置控件顯示的文本內(nèi)容以及字體大小和字體類型、排列方式等，同樣TextView的屬性可以在layout布局文件里設(shè)置。

顯示文本到屏幕：

TextViewbt = （TextView） findViewById（R.id.textv）；

bt.setText（str）；

第一句獲得文本控件textv的ID，第二句，通過(guò)setText（）為此控件設(shè)置文本內(nèi)容。

2.6 異常捕獲

當(dāng)退出應(yīng)用時(shí)用戶需要釋放掉之前使用的資源，在MainActivity.class里復(fù)寫(xiě)onDestroy方法，在onDestroy方法里斷開(kāi)Socket連接和關(guān)閉輸入輸出流：

try {

if（mSocketClient！=null）

{

mSocketClient.close（）；

inStream.close（）；

outStream.close（）；

mSocketClient = null；

}

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}

mThreadClient.interrupt（）；

2.7 權(quán)限控制

Android 提供了豐富的 SDK（Software development kit），開(kāi)發(fā)人員在對(duì) Android 系統(tǒng)資源的訪問(wèn)需要有相應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限，這個(gè)權(quán)限就稱為 Android 應(yīng)用程序權(quán)限，由AndroidManifest.xml文件管理，它在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定，在 Android 系統(tǒng)中初次安裝時(shí)即生效。此應(yīng)用需要以下權(quán)限：

<！-- internet -->

STATE"/>

STATE"/>

3 應(yīng)用調(diào)試

筆者把該控制平臺(tái)與飛行器一起來(lái)檢測(cè)其工作性能，打開(kāi)手機(jī)調(diào)試功能，連接電腦，并安裝好手機(jī)驅(qū)動(dòng)，然后在Eclipse里選中項(xiàng)目右擊，選Run as -> Android Application，直接在手機(jī)上運(yùn)行程序，調(diào)試如圖3所示。測(cè)試表明該平臺(tái)能在Android手機(jī)終端的控制下攝像頭上下左右旋轉(zhuǎn)90°拍攝圖像信息；飛行器能平穩(wěn)地前進(jìn)、后退和左右旋轉(zhuǎn)飛行；并對(duì)有害可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)和PM2.5等顆粒污染物環(huán)境參數(shù)信息檢測(cè)快速、準(zhǔn)確；GPS定位系統(tǒng)精準(zhǔn)，室內(nèi)精度為2.0m以下而室外為0.5m以下。數(shù)據(jù)，視頻顯示正常，各項(xiàng)性能完全符合設(shè)計(jì)的要求并能方便地拓展其功能和應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]向誠(chéng)，謝峰粹.基于WIFI和Android的智能探測(cè)車設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013.12：82-85.

[2]張余，編著.Android網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)從入門(mén)到精通[M].清華大學(xué)出版社，2014.

[3]候國(guó)照.基于OpenWrt的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.02：102-105.

[4]王雷，藍(lán)箭，陳雪娟.基于Android 平臺(tái)的無(wú)線WiFi控制方法[J].微型電腦應(yīng)用，2012，7：58-61.

[責(zé)任編輯：王楠]