基于GPRS网络数据流量控制的四轴无人机的操作系统

南昌航空大学测试与光电工程学院大学物理国家级实验教学示范中心 杨志豪 陈凤英 陶则旭 史圣达 程 永 李錚桢



基于GPRS网络数据流量控制的四轴无人机的操作系统

南昌航空大学测试与光电工程学院大学物理国家级实验教学示范中心 杨志豪 陈凤英 陶则旭 史圣达 程 永 李錚桢

【摘要】本设计基于单片机及GPRS模块和陀螺仪以及加速计装置的无人机，将GPRS模块置于四旋翼无人机上，利用单片机技术，GPRS网络技术及陀螺仪和加速度计等设备使得操作人员可以远程利用网络操控无人机，将操控端GPRS模块将信号通过网络上传至服务器，由服务器通过移动数据网络将信号传输到无人机上的GPRS模块，然后通过机载GPRS模块将信号转化为电信号，使得无人机可以根据操作人员发出的指令做出各项高难度复杂动作，若在短时间内没有信号输入，则无人机默认为悬停状态，若在既定的长时间内没有信号输入，则无人机默认为安全着陆并且执行，只要有运营商的移动数据网络信号即可正常运行，做到无人机摆脱对操控终端操控距离的限制。

【关键词】单片机；GPRS模块；移动数据网络信号；超视距操控

引言

随着科学技术、自动化技术及飞行制造技术的不断发展，各种各样的无人机已经渐渐走进了我们的生活中。无论是军用的侦查无人机还是商业用的航拍无人机，无人机在我们的生活中已经扮演了不可或缺的角色。无人机的诞生使得人类可以利用无人机前往一些载人飞机无法到达的地方，同时无人机的诞生也使得人类在飞机控制上有了质的突破，可以完成人类飞行员无法完成的飞行任务，无人机的诞生也可以免除飞行员培养的高昂费用。

然而，现阶段的无人机普遍存在操作距离短，难以异地操作，难以使用电脑智能电话等现代化常用设备操控，操纵终端通用性能差等种种问题。

目前，国内外无人机的操控主要依靠2.4G频率电磁波将操纵信号传输至无人机，然后将电磁波转化为电信号从而使得无人机完成各种飞行动作，但是由于2.4G频率电磁波信号传输距离短，传递信息数量有限，操控设备通用性差，使得无人机的功能受到了种种的局限，若是采用GPRS网络，利用GPRS模块接收控制设备传来的信息，并将相关数据通过GPRS网络上传至服务器，传回至操控者处，情况将大为改观。

GPRS网络全国覆盖率已达到92%，除西藏等偏远地区几乎每个地方都能接收的到GPRS网络信号，现在各个运营商都在大力推行4G网络，一但利用GPRS网络控制无人机的技术成熟后，我们可以转进4G网络并在无人机上加上一个机载高清运动摄像头，4G网络下载速度可达100Mbps，上传速度可达20Mbps，这个速度已经满足了传输高清视频的要求了。所以，一但转进用4G网络控制无人机，只要电池满足的情况下，无人机哪里都可以飞。

1　基本原理

电脑上位机发送指令给飞机上的GPRS模块，GPRS模块再将收到的信息发送给单片机，单片机再根据相应的指令做出相应的动作。同时GPRS模块也可以将飞机的实时信息返回给上位机，使操纵者可以了解飞机的实时信息。

2　总体设计

将GPRS模块置于无人机上面，利用单片机技术，GPRS网络技术，及陀螺仪和加速度计等等设备使得我们可以远程利用网络操控无人机。GPRS模块可以将我们电脑上位机的操控信号通过网络上传至服务器，由服务器通过网络传输到无人机上面的GPRS模块，然后通过GPRS模块将网络信号转化为电信号，使得无人机可以做出上升，下降，转弯，悬停等等的度复杂动作，同时也将诸如电量，高度，温度，平衡度等信息传回操纵终端。在起飞后利用单片机进行辅助控制若是一秒内无信号输入无人机则无人机默认进行悬停，至十分钟内无信号输入，无人机打开自带降落伞进行保护性着陆。

技术成熟后我们将录像设备固定于无人机上，将数字视频信号利用先进的4G网络技术转化为网络信号，利用服务器将网络信号传输至控制终端，实现无人机与操纵者的视界同步。

2.1四轴无人机设计

主控单片机STM32读取MPU6050的加速度计和陀螺仪数据后进行互补滤波融合两者数据得到飞机实时姿态的欧拉角，然后在通过PID算法实时控制四轴四个电机的转速使飞机能够自稳而平衡的飞起来。GPRS模块SIM7100C和单片机通过USART协议通信，将接收到的电脑上位机的指令发送给单片机STM32，STM32再根据指令对四轴做出相应的动作。同时飞机也会将四轴实时信息传回电脑上位机。

图一　飞机各个模块物理连接示意图

2.2上位机设置

电脑先安装好上位机—TCP/UDP调试工具，打开TCP/UDP调试工具（ 图一 ），选择TCP server之后点击创建，之后跳出来的监听端口号选项选择32001再点击确定即可自动连接飞机上的SIM7100C模块，通过上位机向飞机发送指令即可控制飞机（图二）。

控制指令集有：（1）CMD：UP（匀速上升）；（2）CMD：DOWM（匀速下降）（3）CMD：LEFT（匀速向左飞行）；（4）CMD：RIGHT（匀速向右飞行）；（5）CMD：YAW（匀速顺时针自旋）；（6）CMD：LANDING（自动降落）；（7）CMD：STOP（悬停）；（8）CMD：STATE（读取飞机当前信息：温度、高度、电池电量），共8个指令。这8个指令即可控制飞机做出各种各样的动作。

图二　上位机打开初始界面

图三　上位机发送指令窗口

经测试，在发送指令之后到飞机做出相应动作之间有大约0.4S延时，GPRS通信0.4S的延时在控制低速无人机还是可以接受的。

3　应用前景

该设计可以解决无人机受操控终端信号发射距离的限制，解决使得无人机的操控距离大大加大，甚至可以使得无人机摆脱对操控终端操控

距离的限制，真正的做到哪里有手机信号，无人机就可以从哪里起飞，就可以在哪里飞行。也可以使得无人机将实时飞行数据传回给操控者，使得无人机的操纵更加容易。同时也能降低无人机对操纵终端的要求，操纵者们甚至可以利用移动智能手机，电脑等工具对无人机的操纵。

该设计不但能够使得无人机的普及进入一个更高的阶段同时甚至还能用于军方科技用于军事侦查。利用四轴体积小，飞行速度快的优势，可以进行室内侦查、室外侦查、危险区域侦查。

4　结束语

GPRS网络全国覆盖率已达到92%，除西藏等偏远地区几乎每个地方都能接收的到GPRS网络信号，现在各个运营商都在大力推行4G网络，一但利用GPRS网络控制无人机的技术成熟后可以将智能手机作为信号接收系统，这样就可以用手机控制飞机。而基于GPRS模块的无人机的操作系统则更关注直接将GPRS模块置于无人机上，更专业化，更加稳定安全。我们还可以转进4G网络并在无人机上加上一个机载高清运动摄像头，4G网络下载速度可达100Mbps，上传速度可达20Mbps，这使得无人机的普及进入一个更高的阶段同时甚至还能用于军方科技用于军事侦查。

参考文献

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