一种基于WiFi控制的四旋翼飞行器设计与实现

引 言

2014 年 11 月，李克强总理出席首届世界互联网大会时指出，互联网是大众创业、万众创新的新工具。2015 年 3 月，李克强总理在十二届全国人大三次会议上首次提出“互联网 +” 行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，引导互联网企业拓展国际市场[1]。

基于以上背景，本文设计一个基于WiFi 控制的四旋翼飞行器控制系统，将网络通信 TCP 协议运用到系统中。该系统用传统的遥控手柄模拟标准的遥控器，遥控手柄与PC 机相连， 四旋翼上添加带有WiFi 模块的RT5350，该设备运行嵌入式Linux 操作系统，可与PC 机建立无线连接，从而遥控手柄通过网络通信将遥控信号传递给四旋翼飞控系统，达到控制四旋翼飞行的目的。本研究对计算机网络的学习有一定的指导意义。

1 系统方案

本系统的总体结构图如图 1所示，系统可分为用户PC 客户端、服务器、PWM控制器和飞控板四个部分。用户将控制信号通过客户端发给服务器，服务器接收到信号后通过串口通信将信号转给PWM控制器，PWM控制器生成输入信号， 飞控板收到信号后控制电机旋转。

2 整体设计

系统划分为两部分，一部分为硬件设计，另一部分为软件设计。其中硬件部分主要是各模块的开发板的选择及开发和 组装，软件部分主要实现控制端和服务器端的通信以及各模 块之间的通信。 

2.1 硬件总体结构 

本系统的硬件总体结构设计如图 2 所示，硬件总体结构 是按照模块化思想设计的。服务器端主要由 RT5350 模块和 PWM 控制器组成，飞行器主要由飞控板、电机驱动和直流电 机组成 ，客户端主要由 PC 和遥控手柄组成。

飞行器驱动层的主要设备是飞控板和 PWM 控制器，其 中飞控板采用简单的 KK 飞行控制板。其功能简单，易于调节， 价格便宜，便于二次开发。PWM 控制器主要作用是向飞控板 发送指定的 PWM 波形，飞控板根据 PWM 脉冲波对利用 I/O 口直接控制电机。由于飞控板的 I/O 口输出电流为 mA 级，无 法驱动直流电机转动，因此需要使用电机驱动模块驱动电机。 直流电机选用的是减速直流电机，因为减速直流电机的输出 力矩较大，可以适应复杂地形。调节四个电机不同转速用来改变飞行器的飞行动作。 

服务器端的主要任务是接收客户端的控制信号，并将信 号传给 PWM 控制器，PWM 控制器将信号传给飞控板。其中 开发板选用 RT5350，如图 3 左所示。其运行的是一个嵌入式 Linux 操作系统，带有 WiFi 模块和 RS 232 串口模块，便于 和客户端以及 PWM 控制器进行通信。PWM 控制器使用的是 艾尔赛舵机控制器（LCSC），如图 3 右边所示。LCSC 拥有 16 路舵机 PWM 脉冲信号输出，可以同时对 16 个舵机进行任意 角度和精确时间的控制。该舵机控制器可以接收串口命令，适 合任何含标准串口（RS 232 电平）的系统，如个人电脑、PLC、 51系列单片机、DSP、FPGA，ARM 等等。

客户端主要由遥控手柄和 PC 组成，PC 需带有无线网卡， 便于和服务器进行通信。标准遥控器采用 2.4 GHz 无线通信， 可以提供 8 通道甚至 16 通道的控制选择。其功能强大、性能 稳定、操作方便，缺点是价格昂贵。本文采用市面上常见的遥 控手柄，价格便宜，可以模拟出 4 个通道信号并产生控制信号。 2.2 软件设计 

软件的总体结构主要包括 3 个部分 ：摇杆客户端、服务 器端和 PWM 控制器。遥感控制客户端主要是将摇杆的模拟 信号转化成数字信号并通过 TCP 协议发送给服务器，服务器 端接收客户端发送的命令并转发给 PWM 控制器，PWM 控制 器将其转化为 PWM 信号传给飞控端，飞行控制端收到 PWM 信号后控制电机转动。 

2.2.1 客户端控制算法设计 

客户端主要产生飞行器的飞行信号。游戏手柄客户端的 实现原理是在 Linux 系统下读取手柄的键码值 [2]，再通过一定 的数学计算，将键码值映射 PWM 模块可识别的指令。首先 在 Linux 系统下安装驱动后会在 /dev/input 生成 js0。然后通 过 js0 接口来获取遥控手柄的控制信息。当用户操作手柄时， 驱动发送 js_event 的结构给应用程序以通知用户做了哪些操 作。js_event 有如下定义 ：

struct js_event {unsigned int time ；/* event timestamp in milliseconds */short value ；/* value */unsigned char type ；/* event type */unsigned char number ；/* axis/button number */ } ； 

其次，我们还应了解手柄按键的分布 [3] ： 

1-4 号键的键值分布表 1 所列。

对于左侧四个键，有两种情况 ： 

当 ANALOG 键关闭时：上键和下键的 number 值均为 1， 左键和右键的 number 值为 0。其他值不变。 

当 ANALOG 键按下时，键值会随着手指按下和松开的 不同状态来做出相应的分布。不同状态下的键值分布如表 2 所列。

当旋转时，相当于向系统传送一系列的 value 值渐变的 js_event。

根据以上原理，系统可以获取手柄的按键值以及摇杆的 位置，得到手柄的遥控信息，并将此信息封装为固定的格式 传给服务器。 

2.2.2 服务器设计 

服务器运行在嵌入式 Linux 操作系统中，采用 Linux C 语言编程实现，与客户端之间建立 TCP 通信协议 [4]。客户端 通过扫描手柄设备文件读出手柄按键码，将其映射为 PWM 指令发送至服务器。服务器收到指令后通过串口通信将指令 发送给 PWM 控制器，PWM 产生指定波形驱动飞控板，从而 改变飞控 4 个电机转速，控制飞行器飞行动作。 

其客户端与服务器之间的通信流程图如图 4 所示。

2.2.3 PWM 控制器 

PWM 控制器接收到服务器的控制指令后，通过解析控 制指令产生 PWM 信号，并将此信号发送给飞控输入端。其控 制指令格式如下：

命令格式 ：#<ch>P<time>! 

<ch> 表示所控制的是第几路舵机，共 16 路（00~15）。

P ：指令格式中固定符号，不可缺少。 

<time> 表示 PWM 信号的宽度，为单位， 

！：指令的结束符号，表示一条指令的结束，不可缺少。 

本系统产生 4 路控制信号，分别控制四旋翼的四个电机， 其中 <ch> 表示控制哪一路电机，<time> 表示 PWM 信号宽度， 映射为电机旋转的速度。飞控接收到 PWM 信号后，分别控 制四个电机转动。

3 系统测试结果与分析 

3.1 测试环境 

本系统的测试环境如下： 

系统环境 ：嵌入式 Linux、Linux mint 17、Windows7； 

硬件环境：嵌入式 Linux 开发板、PC、游戏手柄、四旋翼、 PWM 控制器 ； 

网络环境 ：WiFi 网络，IP 地址块 192.168.1.0/24。 

3.2 测试结果 

经过测试系统达到设计需求。在 WiFi 网络环境下，游 戏手柄能控制飞行器的飞行，并能在空中完成悬停、旋转、起伏、 跌落、翻转等动作。飞行器具有抛出之后保持平衡悬停，连 续飞行时间达到 10min 左右，载重轻量物体等性能。图 5 为 飞行器实物图。图 6 为客户端调试运行示意图。

3.3 结果分析 

本系统最终能够通过遥控手柄控制四旋翼飞行，达到预 期的目的。但是本系统还存在以下几个问题 ：手柄控制飞行器 稳定性较差，由于手柄自身按键原因和数据处理的误差因素， 致使不能精确地映射出遥控器的所有行程 ；手柄灵活性也次 于遥控器，从而使得手柄的控制精准度低于遥控器 ；KK 飞控 板相对简单，易操作，但其对飞行器姿态控制要求较低，自 稳能力差；无线网络覆盖范围小，造成控制范围小，易于失控。

由于本系统存在上述几个问题，所以后期将对本系统做 进一步的更改。首先，将摇杆手柄换成标准的遥控器或进一 步优化手柄控制算法，使其控制更加准确灵活。其次，可以 使用性能更好的飞控板，提高飞行器的自我调节能力。另外， 建立无线局域网，扩大飞行器的飞行范围。

4 结 语

本次设计采用模块化的硬件和软件设计方法，成功实现 了使用摇杆手柄，通过网络传递控制信息来控制飞行器的飞 行，实现了预期的功能。 

本设计的创新点具有以下几点 ： 

（1）通过摇杆手柄替代标准的遥控器，操作简单，并且 大大降低了开发成本。 

（2）采用无线网络通信协议来完成遥控信息的传递，成 功将物联网技术运用到本课题中。 

（3）将嵌入式 Linux 操作系统运用到飞行器上，可以在 其中添加其它应用，比如加载摄像头用于航拍等。