方林旭+張智鵬+黨元浩+曹芳菲

摘 要：“瞳翼”智能四軸飛行器是一款能夠通過電腦、手機(jī)App以及GPS定點(diǎn)導(dǎo)航三種方式控制的可實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻傳輸?shù)暮脚娘w行器。飛行器主體是小型四旋翼飛行器，主要由飛行器姿態(tài)控制部分、無線傳輸部分以及控制端軟件部分組成。本作品短距離可利用飛行器自身WiFi采用電腦和手機(jī)App重力感應(yīng)控制飛行，具有較強(qiáng)的趣味性、娛樂性，是十分有發(fā)展前景的新型智能玩具。此外，遠(yuǎn)距離還可采用GPS導(dǎo)航定點(diǎn)飛行，從而可實(shí)現(xiàn)城市監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測、交通監(jiān)測等，是現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)的有力補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：手機(jī)控制;重力感應(yīng);GPS定點(diǎn)巡航;實(shí)時(shí)圖傳

1 ?作品詳細(xì)介紹

本產(chǎn)品有以下四個(gè)功能特色。

1.1 ?手機(jī)App控制

通過開發(fā)手機(jī)重力感應(yīng)功能，這款四旋翼飛行器可通過手機(jī)App進(jìn)行飛行控制。App界面如圖1所示。控制飛機(jī)前，需要先連接飛機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊連接按鈕后，手機(jī)便可向飛行器發(fā)送數(shù)據(jù)。解鎖后，使用者可通過重力感應(yīng)對飛行器控制，同時(shí)可查看飛行中的航拍圖像。

圖1 ?手機(jī)App界面

1.2 ?電腦控制

電腦控制界面如圖2所示，可通過點(diǎn)擊油門和方向鍵來控制飛行器。界面左側(cè)為飛行器實(shí)時(shí)拍攝傳輸回來的圖像。

圖2 ?電腦控制界面

1.3 ?GPS定點(diǎn)巡航飛行

控制界面如圖3所示。當(dāng)飛行器控制距離超過其自身WiFi傳輸距離時(shí)，采用遠(yuǎn)距離地面站臺(tái)控制，通過GPS定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對飛行器飛行路線的控制。

圖3 ?GPS巡航飛行控制界面

1.4 ?多個(gè)設(shè)備同時(shí)查看圖像

本產(chǎn)品采用獨(dú)特圖傳技術(shù)，支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)查看飛行器飛行過程中的航拍圖像，如圖4所示。

圖4 ?多個(gè)設(shè)備同時(shí)查看航拍圖像

2 ?作品原理

2.1 ?開發(fā)過程

在作品研發(fā)過程中，我們首先分別對軟件和硬件進(jìn)行開發(fā)，最后進(jìn)行整體功能調(diào)試，開發(fā)過程如圖5所示。

圖5 ?作品開發(fā)過程

2.2 ?作品硬件結(jié)構(gòu)

近距離采用WiFi控制，產(chǎn)品硬件如圖6所示，由機(jī)架、飛行控制電路、無線傳輸電路以及攝像頭組成。在此基礎(chǔ)上，加入GPS模塊以及電臺(tái)裝置，便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離GPS導(dǎo)航控制，如圖7所示。

圖6近距離控制硬件 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖7遠(yuǎn)距離控制硬件

2.3 ?作品技術(shù)說明

四旋翼飛行器是一種具有四個(gè)螺旋槳的飛行器，并且四個(gè)螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的飛行器不同，四旋翼飛行器通過改變螺旋槳的速度來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。

本作品的主體是小型四旋翼飛行器，主要由飛行器姿態(tài)控制部分、無線傳輸部分以及控制端軟件部分組成。

2.3.1 ?飛行器姿態(tài)控制部分

飛行控制系統(tǒng)主控芯片采用簡單快速的經(jīng)濟(jì)性單片機(jī)ARDUINO PRO MINI，可實(shí)現(xiàn)對三軸加速度、三軸角速度、電子羅盤等數(shù)據(jù)的測量，從而完成對飛行姿態(tài)的有效控制。在飛行姿態(tài)部分，采用PID算法來調(diào)整和保持飛行器正常的飛行姿態(tài)，并對采集回的傳感器測量值進(jìn)行相應(yīng)的軟件濾波、數(shù)據(jù)融合，消除傳感器的有害測量值對飛行控制的影響。

2.3.2 ?無線傳輸部分

首先搭建基本OPENWRT路由器系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，手機(jī)App端（或電腦端）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議發(fā)送飛行器控制數(shù)據(jù)，經(jīng)路由器輸出端連接飛行控制板進(jìn)行串口信息交換，實(shí)現(xiàn)飛行器控制，同時(shí)讀取航拍圖像。

由于飛行器搭載WiFi無線網(wǎng)絡(luò)利用手機(jī)控制局限于WiFi信號(hào)覆蓋范圍，為遠(yuǎn)遠(yuǎn)擴(kuò)大控制區(qū)域，需使用無線電臺(tái)。

2.3.3 ?控制端軟件部分

在開發(fā)手機(jī)App的過程中，首先測試手機(jī)重力傳感器，加入網(wǎng)絡(luò)許可，測試網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，然后建立飛行器控制協(xié)議。由網(wǎng)絡(luò)搭載信息，通過手機(jī)TCP/IP對應(yīng)端口與路由器（中介服務(wù)器）通信，從而與飛行器通信。最后加入網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)流讀取，實(shí)時(shí)讀取航拍數(shù)據(jù)流并顯示。電腦控制臺(tái)軟件的開發(fā)過程與手機(jī)App的開發(fā)過程類似，但電腦無需調(diào)試重力感應(yīng)，通過界面按鈕和電腦鍵盤聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)，并可通過調(diào)按鍵來控制靈敏度。

3 ?作品創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品作為一款新型智能飛行器，具有以下五大創(chuàng)新點(diǎn)。

（1）控制方式多樣。本作品近距離可采用手機(jī)App重力感應(yīng)或電腦控制，遠(yuǎn)距離可采用遠(yuǎn)距離GPS定點(diǎn)巡航飛行

（2）特配機(jī)體，完美效力，飛行時(shí)間長。5 200 mAh鋰電池，空載總重小，最長飛行時(shí)間可達(dá)30分鐘。

（3）多個(gè)設(shè)備同時(shí)查看圖像。采用獨(dú)特圖傳技術(shù)，可支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)查看航拍圖像。

（4）性價(jià)比高。采用高效低成本ATMEGA328P核心控制飛機(jī)平穩(wěn)飛行。

（5）防風(fēng)設(shè)計(jì)防雨保護(hù)。外殼采用室外專用外殼，全天候飛行風(fēng)雨無阻。

4 ?市場前景

隨著人們生活水平的逐步提高，青少年對玩具的需求程度也逐漸上升。根據(jù)調(diào)查結(jié)果總體來看，國內(nèi)玩具大都功能單一，外型單調(diào)，電子、智能型玩具具有很大吸引力。

“瞳翼”智能四軸飛行器面向14周歲以上青少年，具有較強(qiáng)的趣味性、娛樂性，能夠培養(yǎng)青少年動(dòng)手和思考的能力，是十分有發(fā)展前途的新型玩具。

此外，本產(chǎn)品還可利用GPS衛(wèi)星定位進(jìn)行路線定點(diǎn)自動(dòng)飛行，加之其具有視頻實(shí)時(shí)傳輸功能，從而可實(shí)現(xiàn)城市監(jiān)測、交通監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等，是現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)的有力補(bǔ)充。