無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u24039無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例分析 -1-181031無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) -1-295491.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求 -1-150531.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 -2-13137第二章、無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -3-307962.1主控器的選型及電路 -3-37092.2傳感器的選型及電路 -5-26722.2.1MPU6050加速度傳感器及電路 -6-207832.2.2DHT11溫濕度傳感器及電路 -10-109052.3遠(yuǎn)程通信模塊的選型及電路 -12-15642第三章、無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) -14-292603.1本地電腦客戶端Javascript程序設(shè)計(jì) -14-291193.2創(chuàng)建服務(wù)器 -15-99143.3通信控制程序設(shè)計(jì) -17-1無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求本文設(shè)計(jì)的是一個無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)，主要完成的功能是接收無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)和無人機(jī)的飛行姿態(tài)參數(shù)，并且實(shí)時(shí)顯示參數(shù)于本地客戶端，同時(shí)無人機(jī)可以完成控制端指令要求的相關(guān)任務(wù)。無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)主要有以下功能REF_Ref30295\r\h[5]：（1）采集環(huán)境信息對于無人機(jī)的功能最主要，最基礎(chǔ)的一個方面就是通過各種傳感器對無人機(jī)的飛行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，這一功能在無人機(jī)的各方面應(yīng)用領(lǐng)域必然會涉及，也即無人機(jī)必不可少的一項(xiàng)功能。（2）無人機(jī)飛行控制在無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用里必然會遇到各種復(fù)雜的環(huán)境，所以對無人機(jī)飛行狀態(tài)的控制就非常的重要了，考慮到學(xué)生的能力問題，本文只介紹幾種最基本最簡單的無人機(jī)狀態(tài)的控制。在豎直方向：持續(xù)上升，持續(xù)下降，懸停；水平方向：前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。（3）遠(yuǎn)程通信有些無人機(jī)的應(yīng)用環(huán)境是非常復(fù)雜多變的，所以無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)必須得具有抗干擾強(qiáng)，長距離傳輸，低時(shí)延的特點(diǎn)。1.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本課題以stm32單片機(jī)作為嵌入式開發(fā)平臺，該平臺通過與wifi模塊的連接，實(shí)現(xiàn)MCU與服務(wù)端的通信，由溫濕度傳感器監(jiān)測到當(dāng)前環(huán)境中的溫度和濕度，將感知到的數(shù)據(jù)通過stm32處理發(fā)送到PC客戶端，PC客戶端收到數(shù)據(jù)后解析并顯示；姿態(tài)傳感器同理。PC客戶端也可以發(fā)送相關(guān)的指令，通過wifi的方式將指令傳送到MCU，MCU接收到相關(guān)指令后，通過指示燈顯示來模擬飛機(jī)的飛行姿態(tài)。圖1.SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)整體方案框圖

第二章、無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1主控器的選型及電路眾所周知飛控是無人機(jī)的靈魂，它的主要組成單元是IMU和MCUREF_Ref13101\r\h[3]，其中IMU是由一系列的傳感器構(gòu)成，基本包括：三軸陀螺儀，三軸加速計(jì)，溫度計(jì)和氣壓計(jì)，正是因?yàn)镮MU含有如此豐富的資源才使得其在無人機(jī)飛控上扮演著舉足輕重的角色。IMU可以非常精確的感知到無人機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行角度、飛行速度以及飛行高度，并將這些大量的高精度參數(shù)傳送給主控器MCU。當(dāng)用戶在客戶端有指令操作時(shí)主控器MCU將會根據(jù)指令和IMU的數(shù)據(jù)，再結(jié)合pid飛控算法控制無人機(jī)穩(wěn)定工作。所以IMU需要處理大量的數(shù)據(jù)，而且需要保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)，所以對主控器MCU的性能要求是非常高的，因?yàn)樗鼘Q定無人機(jī)是否能夠穩(wěn)定靈活的飛行。本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6作為主控芯片，表2.1對該芯片的主要功能做出列舉：功能型號內(nèi)核最高工作頻率功耗I/O端口定時(shí)器通信接口STM32F103ZET6ARM32位的Cortex?-M3CPU72MHZ功耗低多達(dá)80個快速I/O端口多達(dá)6個定時(shí)器多達(dá)6個通信接口表2.1STM32F103ZET6主要功能表由表2.1清晰可見STM32F103ZET6的性能優(yōu)良功能強(qiáng)大，所以本設(shè)計(jì)選用該芯片作為主控芯片。圖2.SEQ圖\*ARABIC\s11STM32F103ZET6硬件電路圖圖2.SEQ圖\*ARABIC\s12STM32F103ZET6電路連接圖2.2傳感器的選型及電路當(dāng)今世界是一個日新月異的信息化世界，僅靠人類自身的感官早已無法去全面細(xì)致可靠地認(rèn)識世界、研究自然現(xiàn)象和規(guī)律了，所以傳感器技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展是必然，傳感器就好比是人類的五官，但是它要比人類的五官更加的精細(xì)，能夠感受到非常細(xì)微的環(huán)境變化，在人類認(rèn)知事物的道路上提供了很大的幫助。傳感器可以對周圍的環(huán)境進(jìn)行感知，獲取非常可靠的信息，每個傳感器內(nèi)部有其特有的電路結(jié)構(gòu)，這些電路結(jié)構(gòu)作為傳感器自身的一套信息轉(zhuǎn)換方式固定于傳感器內(nèi)部，各種無形的外界信息通過這套方式被轉(zhuǎn)化為電信號輸出，從而得到需要被測信息的參數(shù)，可以對這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、保存以備后續(xù)使用之需，也可根據(jù)得到的參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)境或者更換場地，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)。在市面上我們不難發(fā)現(xiàn)，同一種功能的傳感器有著各式各樣的型號，其實(shí)這些不同型號的傳感器在結(jié)構(gòu)上，原理上是大相徑庭的，因?yàn)槲覀兩娴沫h(huán)境就是一個紛繁復(fù)雜的環(huán)境，所以我們要量體裁衣，根據(jù)具體的應(yīng)用場景、測量的對象、需要得到結(jié)果的精確度等，選用合適的傳感器。2.2.1MPU6050加速度傳感器及電路InvenSense公司的MPU6050模塊相比于傳統(tǒng)的多模塊組合方案，優(yōu)化了不少，非常大的節(jié)省了空間。MPU6050將三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器一體化，通過一個IIC接口和MCU通信；另一個IIC接口可用于外加其他傳感器，實(shí)用性很高REF_Ref6933\r\h[1]。本設(shè)計(jì)MPU6050采用IIC通信協(xié)議與MCU進(jìn)行通信，需要完成的工作REF_Ref8494\r\h[2]：初始化IIC接口。MUC的IIC接口是與MPU6050的SDA和SCL相連接的，MCU通過IIC接口實(shí)現(xiàn)對MPU6050的控制。復(fù)位MPU6050。（2）喚醒MPU6050，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。（3）設(shè)置陀螺儀和加速度傳感器的滿量程范圍。設(shè)置陀螺儀的滿量程范圍為±2000dps，設(shè)置加速度傳感器的滿量程范圍為±2g。（4）設(shè)置其他參數(shù)對相應(yīng)寄存器操作關(guān)閉所有中斷、關(guān)閉IIC主模式接口，此接口是用于外接其他的傳感器的接口；將FIFO使能寄存器（0X23）保持為默認(rèn)值，即使FIFO處于關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)未使用FIFO存儲傳感器數(shù)據(jù)；通過采樣率分頻寄存器（0X19）控制陀螺儀采樣率，一般情況下設(shè)置為50HZ；設(shè)置DLPF為采樣頻率的一半。配置系統(tǒng)時(shí)鐘源并使能角速度傳感器和加速度傳感器由電源管理寄存器1設(shè)置x軸陀螺PLL為時(shí)鐘源，通過設(shè)置電源管理寄存器2使能加速度、角速度傳感器，此時(shí)MPU6050傳感器初始化完畢可以進(jìn)行工作了，讀取相關(guān)寄存器，即可得到加速度傳感器和角速度傳感器的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中將MPU6050的P1接口直接插在開發(fā)板的ATKMODULE接口上，即可完成MPU6050的連接如圖2.4所示。圖2.SEQ圖\*ARABIC\s13MPU6050硬件電路圖圖2.SEQ圖\*ARABIC\s14MPU6050電路連接圖本設(shè)計(jì)MPU6050與單片機(jī)之間采用IIC協(xié)議進(jìn)行通信，IIC總線上所有的從設(shè)備都有在當(dāng)前總線上的唯一個器件地址，作為其在總線的唯一一個標(biāo)識，具體通信過程如圖2.5所示：圖2.5IIC通信過程（1）主機(jī)（MCU）發(fā)送起始條件，占用總線，從機(jī)都被喚醒；（2）主機(jī)發(fā)送器件地址，找到對應(yīng)從機(jī)；（3）從機(jī)回應(yīng)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳了；（4）通信完畢，釋放總線。IIC的數(shù)據(jù)格式為：起始位（占用總線1bit）+數(shù)據(jù)位（由發(fā)送方發(fā)出8bit）+應(yīng)答位(接收到1Byte數(shù)據(jù)的一方會1bit的應(yīng)答)+停止條件（釋放總線）由圖2.5清晰可見在數(shù)據(jù)線上面有上拉電阻，所以當(dāng)無任何數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)線處于高電平狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個字節(jié)的起始位，從機(jī)成功收到，此時(shí)會拉低總線，所以主機(jī)收到0表示有應(yīng)答，收到1表示非應(yīng)答，當(dāng)讀完數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)總線會被拉高。圖2.6標(biāo)準(zhǔn)IIC總線時(shí)序圖IIC總線上傳送的信息類型：起始條件偽代碼：SCL=1SDA=0——在SCL為高電平時(shí)SDA產(chǎn)生一個下降沿延時(shí)——起始條件準(zhǔn)備時(shí)間SDA=0SCL=1延時(shí)——起始條件的保持時(shí)間SCL=0——結(jié)束起始條件圖2.7起始條件 停止條件偽代碼：SCL=1SDA=0——在SCL為高電平時(shí)，SDA產(chǎn)生一個下降沿延時(shí)——停止條件的建立時(shí)間SDA=1——產(chǎn)生停止條件延時(shí)——本次停止條件開始到下一次起始條件開始圖2.8停止條件應(yīng)答信號：應(yīng)答方成功接收數(shù)據(jù)后的響應(yīng)，數(shù)據(jù)量為1bit。2.2.2DHT11溫濕度傳感器及電路DHT11將溫度檢測與濕度檢測一體化，運(yùn)用了多種技術(shù)，如：模擬信號采集、轉(zhuǎn)換技術(shù)和溫度、溫濕度傳感技術(shù)，正是因?yàn)镈HT11多措并舉才保證了其卓越的品質(zhì)。使用單總線串行接口協(xié)議，系統(tǒng)容易集成。考慮到無人機(jī)要求整體質(zhì)量要輕、功率消耗要盡可能低，即要有較長的續(xù)航時(shí)間，DHT11正好完美的滿足了設(shè)計(jì)要求REF_Ref30615\r\h[6]，另外DHT11只引出了4個單排引腳，方便連接。圖2.9DHTll硬件電路圖圖2.11DHT11電路連接圖本設(shè)計(jì)DHT11與單片機(jī)之間采用單總線的方式進(jìn)行通信，即一根DATA用于微處理器與DHT11之間的數(shù)據(jù)通信和同步，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交互需要4ms的時(shí)間，一次交互數(shù)據(jù)量為40bit,有整數(shù)、小數(shù)兩個部分如表2.2所示：單總線數(shù)據(jù)格式濕度整數(shù)部分濕度小數(shù)部分溫度整數(shù)部分溫度小數(shù)部分校驗(yàn)和部分?jǐn)?shù)據(jù)量8bit8bit8bit8bit8bit（前四個字節(jié)相加所得結(jié)果的末8位）表2.2單總線數(shù)據(jù)格式下面我們來介紹一下單總線通信協(xié)議下，DHT11的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序：圖2.12DHT11數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖主機(jī)（MCU）拉低數(shù)據(jù)線表示發(fā)送開始信號（黑線部分），保持t1（t1≥（2）拉高數(shù)據(jù)線t2（20us≤（3）從設(shè)備（DHT11）拉低數(shù)據(jù)，即DHT11輸出的響應(yīng)，保持t3（40us≤（4）從設(shè)備（DHT11）拉高數(shù)據(jù)線，保持t4（40us≤t4DHT11輸出數(shù)字‘0’的時(shí)序如圖2.13所示，DHT11輸出數(shù)字‘1’的時(shí)序如圖2.14所示：圖2.13DHT11輸出數(shù)字‘0’時(shí)序圖圖2.14DHT11輸出數(shù)字‘1’時(shí)序圖2.3遠(yuǎn)程通信模塊的選型及電路單片機(jī)等客戶終端通過無線通信模塊接入物聯(lián)網(wǎng)，PC客戶端通過與單片機(jī)接入同一個網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到能夠通信的目的。本設(shè)計(jì)選用的是UART接口WiFi模塊ESP8266，其高速率低功耗的數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制性能，是本設(shè)計(jì)的不二選擇。MCU通過USART與ESP8266通信，ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。非常簡易的對串口設(shè)備進(jìn)行配置操作后，設(shè)備即可以依靠網(wǎng)絡(luò)上傳自己的數(shù)據(jù)。模塊默認(rèn)是AT指令狀態(tài)，工作模式如表2.3所示。工作模式入網(wǎng)方式STAAPSTA+AP模塊通過路由器入網(wǎng)模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)PC或手機(jī)直接與其通信兩模式共存狀態(tài)，可以入局域網(wǎng)，也可以入廣域網(wǎng)，靈活切換表2.3ESP8266工作模式介紹本設(shè)計(jì)通過AT指令將ESP8266配置成STA+AP工作模式，再建立TCP連接，啟動透傳模式，就可以實(shí)現(xiàn)MCU與服務(wù)器之間的通信了。圖2.15WIFI模塊硬件電路圖圖2.16ESP8266WIFI模塊接口電路圖

無人機(jī)遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1本地電腦客戶端Javascript程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)環(huán)境如下：編程系統(tǒng)：Window10專業(yè)版開發(fā)語言：JAVASCRIPT，HTML，CSS開發(fā)工具：VSCODE3.1.1UI界面基于學(xué)生的能力，本設(shè)計(jì)只是做了一個簡單的靜態(tài)頁面，左側(cè)邊設(shè)有三個可以跳轉(zhuǎn)的頁，分別是飛機(jī)飛行姿態(tài)控制，傳感器實(shí)時(shí)參數(shù)，飛行器實(shí)時(shí)圖像。需要說明的是本實(shí)驗(yàn)中飛行器實(shí)時(shí)圖像模塊不予實(shí)現(xiàn)。打開飛行姿態(tài)按鈕可以看到頁面顯示有：垂直方向控制和水平方向控制的字樣，總共七個按鈕,分別是：REF_Ref11736\r\h[8]持續(xù)上升，持續(xù)下降，懸停，前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。打開傳感器實(shí)時(shí)參數(shù)狀態(tài)欄，可以看到傳感器實(shí)時(shí)返回的參數(shù)，分別是：俯仰角、航偏角、翻滾角、XYZ三個軸的加速度信息以及環(huán)境溫度信息和濕度信息。具體如圖3.1所示：圖3.SEQ圖\*ARABIC\s11UI界面3.2創(chuàng)建服務(wù)器編程思想：使用node.js創(chuàng)建TCP服務(wù)器，首先需要獲取本地PC機(jī)的ip地址及需要監(jiān)聽的端口,（本機(jī)連接的局域網(wǎng)IP地址是0，通過代碼指定TCP服務(wù)器需要監(jiān)聽的端口是6969)然后調(diào)用listen函數(shù)開始監(jiān)聽端口6969，傳入net.createServer()的回調(diào)函數(shù)作為”connection“事件的處理函數(shù)，在每一個“connection”事件中，該回調(diào)函數(shù)接收socket對象發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。HTTP服務(wù)器端，調(diào)用listen函數(shù)開始監(jiān)聽指定端口（通過代碼指定為1337），傳入http.createServer()的回調(diào)函數(shù)作為連接事件的處理函數(shù)，對前端定時(shí)異步數(shù)據(jù)請求和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中TCP服務(wù)器和HTTP服務(wù)器共享一個數(shù)據(jù)接收區(qū)及發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)下位端與上位端數(shù)據(jù)交互。3.2.1

HTTP請求/響應(yīng)的過程本設(shè)計(jì)前端數(shù)據(jù)獲取和指令發(fā)送通過HTTP協(xié)議異步通信來完成。早期的HTTP協(xié)議是無連接的，即每處理完一個請求后就斷開連接，這樣使得通信開銷比較大，比較麻煩，HTTP/1.1解決了這個問題默認(rèn)所有連接為持久連接，使得一次連接可以處理多個HTTP請求，有效節(jié)省了通信時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)資源。Web客戶端通過按照HTTP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送相應(yīng)的請求到Web服務(wù)器，服務(wù)器會把相對應(yīng)的Web頁面發(fā)送到PC客戶端?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送一HTTP請求，其格式為：請求行請求頭請求主題信息其中請求行又包括了請求方法，請求路徑，和所用到的HTTP協(xié)議版本。服務(wù)器收到請求信息會返回一個響應(yīng)行，包括協(xié)議版本、狀態(tài)碼和狀態(tài)文字，其后便是響應(yīng)頭信息，最后在一個空行后面輸出響應(yīng)主體內(nèi)容。以下是HTTP請求/響應(yīng)的步驟：1、客戶端連接到Web服務(wù)器PC客戶端與服務(wù)器的HTTP端口（本設(shè)計(jì)指定為1337）建立一個TCP套接字連接。2、發(fā)送HTTP請求通過TCP套接字，客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個文本的請求報(bào)文，其包括請求行、請求頭部、空行和請求數(shù)據(jù)四個部分。3、服務(wù)器接受請求并返回HTTP響應(yīng)服務(wù)器解析請求，定位請求資源。服務(wù)器將資源復(fù)本寫到TCP套接字，由客戶端讀取。4、釋放TCP連接5、客戶端瀏覽器解析HTML內(nèi)容（1）客戶端解析狀態(tài)行，查看狀態(tài)碼確定是否請求成功（2）解析每一個響應(yīng)頭，響應(yīng)頭告知以下為若干字節(jié)的HTML文檔和文檔的字符集。（3）客戶端讀取響應(yīng)HTML數(shù)據(jù)，通過HTML的相關(guān)語法對其進(jìn)行格式化，然后顯示于瀏覽器。3.2.2TCP服務(wù)器的創(chuàng)建在本研究課題中，下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互是使用TCP/IP協(xié)議來完成的，考慮到本系統(tǒng)需要在穩(wěn)定和可靠性較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中工作，下位機(jī)與上位機(jī)通信采用建立TCP連接來完成。Node.js提供了net模塊，所以創(chuàng)建一個TCP服務(wù)器是很簡單的，需要獲取本地的IP地址，和監(jiān)聽指定的端口號。所以先進(jìn)性IP地址和端口號的設(shè)定，IP地址是本地電腦的入網(wǎng)IP，端口號可以自行設(shè)定，此處將下位機(jī)與上位機(jī)的通信端口指定為