基于移動網絡的多軸無人機遠程控制系統

于同陽，尹麗菊，胡浩東，許文強，寇廷棟

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，淄博 255049）

移動網絡[1]已經滲透到人們生活的點點滴滴，對移動網絡的開發必定會有非常廣泛的前景。目前，5G移動網絡已經問世，該網絡具有高速度、低功耗、低時延的特點，此次通信革命必將使移動網絡的應用發展到一個新的高峰。然而，5G目前尚未得到普及，4G網絡雖然不及5G，但是已經發展到了非常高的水平。

無人機應用[2]是近幾年的熱門話題，該技術正處于高速發展之中，特別是四旋翼無人機[3]已經滲透到各個領域，可以進行短距離搜尋作業、探測作業、無人機運輸快遞等。而目前無人機存在的不足之處是控制距離太短，如果利用移動通信網絡實現對無人機的遠程控制，即將具有移動網絡通信功能的模塊放置于無人機上，上位機通過移動網絡與無人機進行通信，既能夠完成對無人機的遠程控制。在此擬采用4G移動網絡，完成無人機與上位機之間的通信。

經過多次試驗，在一定的距離范圍內，該無人機可以通過移動網絡進行控制，并且在上位機上顯示出各種信息。

1 多軸無人機遠程控制系統方案

基于移動網絡的多軸無人機遠程控制系統，由飛行控制模塊、電源模塊、姿態解算模塊、動力模塊、移動網絡通信模塊、GPS模塊及外圍傳感器模塊組成。飛行控制模塊采用STM32F103ZET6芯片作為飛行控制器，結合傳感器傳來的數據進行姿態解算，對無人機的飛行姿態進行控制；飛行控制器結合PID算法、Mahony互補濾波算法，使無人機能平穩地飛行，達到垂直起飛與懸停、按照規定路線飛行等動作；移動網絡模塊采用中興公司的4G網絡通信模塊作為數據傳輸載體，實現無人機與上位機之間的通信交流；外圍傳感器部分負責采集信息，并通過移動網絡模塊傳遞到上位機。其整體流程框圖如圖1所示。

圖1 系統方案流程框圖Fig.1 System solution flow diagram

2 硬件設計

2.1 飛行控制器的設計

飛行控制器選用STM32單片機。該單片機是基于ARM Cortex-M3處理器內核的32位閃存微控制器，72 MHz主頻，可以完成復雜的9軸姿態解算和控制算法任務，而且該芯片外設充足。與其他的32位單片機相比較，該單片機集高性能、高實時性、高性價比、低功耗于一身，特別適合無人機這種耗能很大的設備使用。除此之外，該系列單片機學習資料豐富，例程較多，并且長時間使用該系列單片機，開發環境掌握得較為熟練。考慮到性能與價格，最終選擇STM32F103ZET6作為飛行控制芯片。

2.2 姿態傳感器模塊的選擇

姿態傳感器選用 MPU9250。該IMU模塊直接將三軸磁力計集成在內，可以直接通過I2C總線讀出9軸姿態信息，省去了接線與布線的繁瑣。該模塊的集成度較高，功能強大，性能優良，特別適合在無人機這種“寸土寸金”的精密設備上使用，而且固定更加簡便，相比于其他傳感器，只需固定一個較小的模塊。

2.3 移動網絡模塊的選擇

移動網絡模塊選用眾山物聯的ZSD1410 4G模塊。該模塊采用獨立的32位ARM核心處理器，內部集成高可靠性的復合式看門狗，DTU可以做到永不死機，并且使用七模全網通模塊進行無線數據傳輸，支持國內三大運營商的所有網絡，支持PPP，TCP，UDP，ICMP等復雜網絡通信協議，支持雙向透明傳輸，體積小，接口方便，支持腳本編程，具有配套的開發板和開發工具，極大地減少了二次開發的難度，傳輸速率較快，功耗較少，適合無人機使用。

3 設計與算法分析

3.1 四旋翼無人機動力學模型

四旋翼無人機的一組對角線上的旋翼采用順時針，另一對角線上的旋翼采用逆時針，這種設計可以抵消旋翼旋轉帶來的反扭矩力。無人機姿態發生變化的直接原因就是4個旋翼的轉速發生了變化，實現了升降、俯仰等運動。動力學模型如圖2所示[4]。

圖2 無人機動力學模型Fig.2 UAV dynamics model

可以簡化為數學模型[4]，即

3.2 Mahony互補濾波算法

互補濾波要求2個信號的干擾噪聲處在不同的頻率，通過設置2個濾波器的截止頻率，確保融合后的信號能夠覆蓋需求頻率。在IMU的姿態估計中，互補濾波器對陀螺儀（低頻噪聲）使用高通濾波；對加速度（高頻噪聲）使用低通濾波。系統通過該算法進行姿態解算。計算過程[5]為

3.3 姿態控制PID算法

PID控制是最常見、應用最為廣泛的自動反饋系統。PID控制器由偏差的比例P（proportional）、積分 I（integral）和微分 D（derivative）來對被控對象進行控制。在此，積分或微分都是偏差對時間的積分或微分，P和I提高穩態精度，D提高系統穩定性，P和D提高響應速度。因此，通過PID算法可以實現無人機的準確性、穩定性、快速性，增強抗干擾能力[6]。在此，采用雙環串級PID算法[6]，如圖3所示，角速度為內環，角度為外環。

圖3 雙環PID控制算法Fig.3 Double-loop PID control algorithm

3.4 移動網絡通信與上位機設計

目前，市售無人機普遍使用的控制系統基于2.4 GHz頻率，圖像傳輸多采用藍牙，雖然可以進行穩定、有效的信息交流，但是其最大的缺點是距離有限，超出控制范圍以后就會失去控制。而采用移動網絡進行控制的無人機，可以擺脫距離的限制，只要是在有移動網絡信號的地方，都可以完成控制。

隨著第五代移動通信網絡（5G）標準的逐漸完善和5G商用化的來臨，物聯網技術即將迎來一波新的應用高潮。5G網絡具有極高帶寬、超低延遲和高密度連接等特點，理論上能夠實現真正的萬物聯網、永不掉線，有望實現許多通過舊網絡標準無法實現的新用例。在5G移動網絡未大規模部署時，可暫時使用4G移動網絡代替進行系統測試。經過測試，4G網絡模塊能夠基本滿足該系統的網絡性能需求，待5G網絡實現大規模部署和商用化后，將4G網絡模塊替換為5G網絡模塊，以5G網絡極高帶寬、超低延遲和高密度連接等特點，將極大地提高本系統的穩定性。

為提高無人機控制系統的智能性、穩定性，并保證該系統的整體性能，軟件部分至關重要。為了提供友好的用戶體驗，系統使用了C/S軟件體系結構。服務器應用為了適應多種服務器系統的部署，采用微軟全新開源跨平臺應用框架.Net Core，使用C#語言進行系統后臺應用開發；PC端使用C#語言進行Win 32應用開發。為了保證系統通信的穩定運行，服務器應用與移動網絡模塊和用戶端程序采用TCP協議進行網絡通信。用戶端程序能夠實時地顯示飛行器的位置信息和基本參數，并且能夠將位置信息顯示在地圖上。用戶端軟件如圖4所示。

4 控制距離的比較

圖4 用戶軟件界面Fig.4 User software interface

基于STM32F103ZET6單片機控制的多軸無人機遠程控制系統，采用了移動網絡連接上位機與無人機。通過比較各種控制手段的控制距離，具體見表1，彌補了目前無人機控制距離太短的不足。所設計無人機，采用4G移動網絡對其進行遠程控制，實現無人機與上位機之間的通信交流。

表1 控制距離比較Tab.1 Control distance comparison

5 結語

通過對現實情況的分析，該設計具有非常廣泛的應用前景。如眾所周知令人頭疼的野外搜尋工作，若采用具有移動網絡的遠程控制無人機，來取代人力進行一些復雜的搜尋、探測作業，不僅能夠節省大量的人力物力，而且不存在地面機器人存在的一些路況限制問題；也可以加裝各種空氣質量傳感器，檢測空中PM 2.5等污染物含量，并通過機載的移動網絡模塊實時的將檢測到的數據傳到相關機構的云服務器，從而降低該工作的工作量，提高工作效率；還可以運載一些急救藥品，在病人出現緊急病情時，可以從上位機上規劃出最近的道路，以最快的速度將藥物送到病人手中，克服了地面交通擁堵的問題、偏遠地區交通不便的難題。