占宏 張祝

摘 要：傳統(tǒng)四軸飛行器的控制多為搖桿遙控器，針對(duì)其便攜性差、控制距離受限等問(wèn)題，采用智能移動(dòng)終端與3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的遠(yuǎn)程控制。但智能移動(dòng)終端系統(tǒng)的多樣性給編程帶來(lái)一定的難度，采用跨平臺(tái)移動(dòng)應(yīng)用框架PhoneGap來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)手機(jī)APP控制平臺(tái)，不僅節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，而且有效增加了APP用戶群體。室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：在3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋下，平臺(tái)操作便捷、實(shí)時(shí)性好，飛行器運(yùn)行流暢、坐標(biāo)顯示準(zhǔn)確，同時(shí)可跨平臺(tái)使用，適應(yīng)性好。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器;智能移動(dòng)終端;PhoneGap框架;3G網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

由于微機(jī)電控制技術(shù)、新型材料以及飛行控制技術(shù)的發(fā)展，四軸無(wú)人飛行器得到迅猛發(fā)展。四軸飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)、低成本、高效益的特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)出現(xiàn)通過(guò)電腦或手機(jī)采用wifi、藍(lán)牙或者ZigBee等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制飛行器，雖然解決了傳統(tǒng)遙控器的體積大、質(zhì)量重、不便于攜帶的問(wèn)題，但仍受到距離的限制。若想實(shí)現(xiàn)真正的超遠(yuǎn)距離控制，可以采用第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G網(wǎng)絡(luò)），就如手機(jī)通話般，給四軸飛行器插上一張電話卡，就可以控制飛行器。

要實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制飛行器，必須在手機(jī)上編寫(xiě)應(yīng)用，通過(guò)調(diào)用相關(guān)組件及功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制。然而市面上的手機(jī)系統(tǒng)的多樣性卻給手機(jī)應(yīng)用的統(tǒng)一編寫(xiě)帶來(lái)了一定的難度。由于移動(dòng)跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)框架PhoneGap具有一次開(kāi)發(fā)同時(shí)適用于多種不同移動(dòng)智能終端操作系統(tǒng)的特性[1-2]，因此文中采用PhoneGap開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)3G網(wǎng)絡(luò)的四軸飛行器手機(jī)APP控制平臺(tái)，不僅大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且有效增加了APP用戶群體[3]。

2 控制平臺(tái)整體框架

本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器控制平臺(tái)包括四軸飛行器、智能移動(dòng)終端（手機(jī)）、服務(wù)器三部分，詳細(xì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)自行搭建好一臺(tái)能實(shí)現(xiàn)自主平衡定高飛行的四軸飛行器。該飛行器選用飛思卡爾公司的MK60芯片作為主控芯片，負(fù)責(zé)高頻的姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)接收以及處理等;選用MPU6050姿態(tài)模塊并裝載GPS模塊，隨時(shí)返回飛行器當(dāng)前姿態(tài)以及坐標(biāo)位置，保證對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)監(jiān)控;裝載具有3G功能的SIM模塊，將飛行器的各種姿態(tài)、坐標(biāo)等處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)3G數(shù)據(jù)發(fā)出，保證了長(zhǎng)距離的傳輸。

因?yàn)椴捎肞honeGap跨平臺(tái)框架，可在各個(gè)平臺(tái)運(yùn)行終端程序，本次移動(dòng)測(cè)試終端選用一款A(yù)n-droid平臺(tái)的手機(jī)，采用iQuery Mobile移動(dòng)web應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架編寫(xiě)源碼，并采用PhoneGap框架技術(shù)生成Android系統(tǒng)下的APK安裝程序，在An-droid手機(jī)終端上安裝即可[4]。

該平臺(tái)采用服務(wù)器加終端的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與四軸飛行器間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸。在服務(wù)器端用php編寫(xiě)一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的腳本，再用html建立了一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換的純數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)，分配以固定的域名并作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，從而更方便、快速地?shí)現(xiàn)飛行器與手機(jī)端的通信。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端負(fù)責(zé)飛行器與移動(dòng)終端（手機(jī)）間的數(shù)據(jù)交互，是數(shù)據(jù)的中心。在服務(wù)器端，采用php語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本與采用HTML編寫(xiě)的主頁(yè)文件是整個(gè)控制平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)[5]。

php是一種通用開(kāi)源腳本語(yǔ)言，主要適用于Web開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，可嵌入于HTML中，在此平臺(tái)中，php文件負(fù)責(zé)接收用戶提交數(shù)據(jù)并加以處理，然后交于主頁(yè)顯示。值得注意的是，通常php以post的方式加密傳輸數(shù)據(jù)，在此平臺(tái)中需要用到兩種post數(shù)據(jù)接收方式，一種為“$ _POST”方式，它可以接受飛行器傳過(guò)來(lái)的表單數(shù)據(jù)，另一種是“php：//input”方式，用來(lái)接收手機(jī)端post過(guò)來(lái)的字符數(shù)據(jù)[6]。

在HTML編寫(xiě)的主頁(yè)文件中，將php腳本處理后的數(shù)據(jù)用字符串的方式打印到頁(yè)面中，其他平臺(tái)通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)的方式便可獲取數(shù)據(jù)。

3.2 四軸飛行器端

四軸飛行器要與此平臺(tái)相配合，必須滿足以下條件：

（1）該飛行器要能有效地連接到3G網(wǎng)絡(luò)，因此要在四軸飛行器上安裝GPRS模塊。選用SIM900模塊并配置一張聯(lián)通3G上網(wǎng)卡，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)器上的具體域名。

（2）四軸飛行器必須實(shí)現(xiàn)自平衡。由于智能移動(dòng)終端控制信號(hào)受3G信號(hào)強(qiáng)弱的影響，可能會(huì)有一定的延時(shí)，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)選用MPU6050集成三軸陀螺儀和三軸加速器，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器當(dāng)前姿態(tài)的精確檢測(cè)并通過(guò)PID算法進(jìn)行姿態(tài)控制以保持飛行器的平穩(wěn)[7]。

（3）為實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的飛行，必須在四軸飛行器上裝載GPS模塊。每隔1秒讀取一次當(dāng)前坐標(biāo)，并與服務(wù)器上讀回的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即可得到飛行器當(dāng)前需要運(yùn)動(dòng)的方向。

（4）要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的飛行，一個(gè)大容量的電池也是必不可少的，而且GPRS模塊也需要大量供電，因此采用雙電池模式，飛行器采用大容量聚合物鋰電池供電，GPRS模塊用單獨(dú)的手機(jī)鋰電池供電[8]。

3.3 智能移動(dòng)終端

智能移動(dòng)終端采用PhoneGap框架技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，PhoneGap框架的開(kāi)發(fā)與其他模塊的配合是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)與難點(diǎn)。

在PhoneGap框架下，使用HTML、CSS、JavaScript等網(wǎng)頁(yè)語(yǔ)言即可編寫(xiě)手機(jī)應(yīng)用，并將源碼打包上傳至其官網(wǎng)的PhoneGap build處，便可自動(dòng)生成各類手機(jī)平臺(tái)下的安裝文件，下載相應(yīng)的文件即可。同時(shí)，調(diào)試時(shí)不需要復(fù)雜的手機(jī)模擬器，使用瀏覽器打開(kāi)并調(diào)整到手機(jī)大小便可完成[9]。因此，在PhoneGap框架下無(wú)論開(kāi)發(fā)還是調(diào)試都變得更簡(jiǎn)單。

該平臺(tái)包含坐標(biāo)控制頁(yè)面和直接控制頁(yè)面兩個(gè)主界面。

（1）坐標(biāo)控制頁(yè)面：此頁(yè)面主要完成飛行器坐標(biāo)的輸入與傳遞。首先，建立一個(gè)表單用來(lái)輸入經(jīng)緯度坐標(biāo)，并用iQuery中的post（）方法將該經(jīng)緯度坐標(biāo)傳至服務(wù)器端。在程序中設(shè)置每0.5秒訪問(wèn)1次之前在服務(wù)中編寫(xiě)的Web Page，便可得到打印在主頁(yè)中的各種字符串信息，然后將信息實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)APP中。此時(shí)調(diào)用百度地圖接口，輸入所得到的當(dāng)前坐標(biāo)，即可在地圖上顯示飛行器位置。在飛行高度方面可設(shè)置一個(gè)滑條，通過(guò)滑動(dòng)來(lái)控制飛行器高度。

（2）直接控制頁(yè)面：直接控制是指在移動(dòng)端直接通過(guò)前后左右鍵控制飛行器的移動(dòng)，通過(guò)四個(gè)bool按鍵實(shí)現(xiàn)，按鍵按下時(shí)向服務(wù)器post相應(yīng)按鍵數(shù)據(jù)，前進(jìn)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)“w”，后退“s”，左移“a”，右移“d”，按鍵沒(méi)按時(shí)post數(shù)據(jù)“O”。

（3）兩個(gè)頁(yè)面不僅要實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，我們更希望頁(yè)面能有非常好的用戶體驗(yàn)，所以兩個(gè)頁(yè)面間的相互轉(zhuǎn)換是必不可少的步驟，不僅如此，還需要在調(diào)節(jié)飛行器高度等控制參數(shù)時(shí)，用戶不用反復(fù)的通過(guò)數(shù)字輸入，采用滑條方式以便用戶使用。

3.4 整體設(shè)計(jì)

將以上三部分整合為一完整的平臺(tái)——基于PhoneGap框架與3G網(wǎng)絡(luò)的四軸飛行器控制平臺(tái)。該控制平臺(tái)的工作流程如圖3所示。

4 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

4.1 四軸飛行器終端實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于phonegap框架與3G網(wǎng)絡(luò)的四軸飛行器控制平臺(tái)，如圖4所示為具有自平衡功能的四軸飛行器，已經(jīng)裝配有SIM模塊以及GPS模塊，并通過(guò)MCU編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)服務(wù)器到終端的設(shè)計(jì)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了由手機(jī)控制四軸飛行器完成超遠(yuǎn)距離飛行。

4.2 服務(wù)器端腳本實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)調(diào)試中可直接通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器上的主頁(yè)，如圖5所示。其中，“J”和“W”后的數(shù)字分別表示經(jīng)度和緯度坐標(biāo)，“H”和“K”后數(shù)字分別表示飛行器高度和當(dāng)前飛行器的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)“K”為“O”時(shí)，代表無(wú)操作，當(dāng)“K”為“w”“s”“a”“d”時(shí)分別表示向前、向后、向左、向右飛行。

4.3

PhoneGap編寫(xiě)的移動(dòng)終端應(yīng)用

圖6和圖7是移動(dòng)終端的操作界面，分別有坐標(biāo)控制和直接控制兩種模式供選擇。該兩種模式的上部是飛行器飛行高度的控制，可以通過(guò)滑塊的方式設(shè)定飛行器高度，也可以直接在滑塊左邊的框內(nèi)輸入指定高度（單位為“米”）;中部是顯示飛行器的當(dāng)前坐標(biāo)的，用戶不能更改。在坐標(biāo)控制界面的下半部分設(shè)置好經(jīng)緯度，點(diǎn)擊“設(shè)置坐標(biāo)”便可以向服務(wù)器發(fā)送信息，點(diǎn)擊“在地圖上顯示”可在地圖中顯示當(dāng)前坐標(biāo)所在地圖的位置（本應(yīng)用直接鏈接的百度地圖）。直接控制界面的下半部分可以直接對(duì)飛行器進(jìn)行前后左右移動(dòng)操作。

應(yīng)用的最底部是飛行器與服務(wù)器的連接狀態(tài)以及移動(dòng)終端與服務(wù)器的連接狀態(tài)，任意一個(gè)連接失敗就不能對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 小結(jié)

通過(guò)該平臺(tái)的大量室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在地勢(shì)開(kāi)闊、3G信號(hào)良好的地方，平臺(tái)操作非常便捷，實(shí)時(shí)性高;飛行器運(yùn)行流暢、坐標(biāo)顯示準(zhǔn)確，使用PhoneGap開(kāi)發(fā)的Andriod手機(jī)終端應(yīng)用運(yùn)行流暢，顯示正常，并且可跨平臺(tái)使用（在電腦端和10s端都可使用），適應(yīng)性好。但其實(shí)時(shí)性會(huì)受到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的影響，在3G信號(hào)薄弱的地方進(jìn)行飛行器操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)飛行器無(wú)反應(yīng)或坐標(biāo)顯示延遲等現(xiàn)象，這些問(wèn)題后續(xù)將做一步深入研究。

平臺(tái)采用PhoneGap框架技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比大大節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，采用3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離控制，采用服務(wù)器到終端的信息傳遞模式自由度高，不僅可輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)終端控制多臺(tái)飛行器，多個(gè)移動(dòng)終端控制一臺(tái)飛行器，甚至多個(gè)移動(dòng)終端控制多個(gè)飛行器，由此可見(jiàn)此平臺(tái)框架有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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