趙旭 彭克勤 北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

基于安卓的Multiwii無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

趙旭 彭克勤 北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

近來(lái)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的火爆催生了大量無(wú)人機(jī)愛(ài)好者對(duì)例如Multiwii的開源飛控的關(guān)注，而大量開發(fā)者的涌入也將無(wú)人機(jī)的使用范圍大大拓寬，這時(shí)常規(guī)的2.4Ghz遙控器控制方式則顯得捉襟見肘。使用同樣開源的安卓手機(jī)作為控制器可玩性就增加了許多。

Multiwii 無(wú)人機(jī) 安卓 控制器

1 概述

目前世界上主要的開源飛控系統(tǒng)有Pixhawk,APM,Multiwii,此項(xiàng)目挑選Multiwii飛控作為研究對(duì)象及控制板，主要原因有，Multiwii飛控體積相較APM和Pixhawk來(lái)說(shuō)要小很多，而且價(jià)錢非常便宜，只要APM的一半左右，Pixhawk的三分之一，其次，雖然Multiwii功能比較少，但是用來(lái)控制小型的無(wú)人機(jī)（軸距210mm左右）是完全足夠的，而且使用手機(jī)進(jìn)行基本的控制的話其他的功能是多余的，容易造成浪費(fèi)，所以最終決定使用Multiwii飛控作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

本項(xiàng)目主要使用藍(lán)牙來(lái)控制無(wú)人機(jī)，和普通2．4G模塊控制不同，藍(lán)牙使用Serial port來(lái)進(jìn)行通信，而2．4G模塊則是使用普通的pin口，通過(guò)讀取PWM值來(lái)進(jìn)行控制，使用藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)是手機(jī)本身就自帶藍(lán)牙，所以減少了工作量，而且也無(wú)需再添加2．4G信號(hào)發(fā)射機(jī)，但缺點(diǎn)顯而易見，控制距離短，所以本項(xiàng)目控制的對(duì)象為相對(duì)較小的210mm軸距無(wú)人機(jī)，可以比較輕松的在室內(nèi)進(jìn)行飛行。

要使用藍(lán)牙控制則需熟悉Multiwii Serial Protocol,串口傳輸協(xié)議，簡(jiǎn)而言之，只要藍(lán)牙發(fā)送的指令格式符合協(xié)議規(guī)定，藍(lán)牙終端就可以與Multiwii飛控板進(jìn)行通信，控制。

2 程序結(jié)構(gòu)

2.1 控制搖桿

使用雙搖桿對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制；左搖桿主要控制控制油門和偏航（搖桿縱向，搖桿橫向）右搖桿控制俯仰和滾轉(zhuǎn)（搖桿縱向，搖桿橫向）除了左搖桿的縱向（Throt油門控制）其他方向均是放開搖桿后自動(dòng)回中，因?yàn)槿绻烷T舵也回中的話會(huì)對(duì)飛行器高度產(chǎn)生影響，使其不能維持原有高度。每個(gè)舵的舵量范圍為1000到2000，中點(diǎn)為1500。搖桿初始化時(shí)確定搖桿的中點(diǎn)位置，隨后搖桿運(yùn)動(dòng)后經(jīng)過(guò)與中點(diǎn)的差值運(yùn)算算出舵量，再整合到傳輸?shù)膍essage中，傳送至Multiwii飛控板。搖桿有一個(gè)使用范圍，即使手指挪動(dòng)超出這個(gè)范圍搖桿也繼續(xù)在手指移動(dòng)方向的圈上，不超出范圍（確保舵量最大值不超過(guò)2000，最小值不小于1000）。搖桿上方顯示各個(gè)信號(hào)的舵量（Throt油門，Yaw偏航，Pitch俯仰，Roll）使用ProgressBar來(lái)直觀的顯示舵量，方便操作。將ProgressBar的總量設(shè)為舵量的最大值，然后搖桿運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的舵量顯示在ProgressBar中。搖桿舵量可以進(jìn)行微調(diào)：假設(shè)當(dāng)兩搖桿都在中央（舵量輸出都是1500）但是無(wú)人機(jī)始終會(huì)向一個(gè)方向偏移（或者多個(gè)方向），就說(shuō)明舵量輸出不準(zhǔn)確，使用微調(diào)來(lái)調(diào)整其數(shù)值，使無(wú)人機(jī)正常飛行。

2.2 控制器

部分包括Rocker和Controller兩部分。Rocker用來(lái)得到用戶所需的各舵的數(shù)值，創(chuàng)建時(shí)首先獲取中心點(diǎn)的坐標(biāo)，在移動(dòng)中通過(guò)與中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算得到各個(gè)舵量的數(shù)值。Controller每經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間（50ms）獲取一次搖桿的舵量信息，并進(jìn)行封裝，利用ProtocolSender將整個(gè)控制Message進(jìn)行封裝，然后利用BluetoothService的Binder進(jìn)行發(fā)送控制Message。

2.3 藍(lán)牙部分

藍(lán)牙模塊主要功能為接受Multiwii端發(fā)送的信息和向Multiwii端發(fā)送信息，發(fā)送使用向BlueToothGatt寫入特征值來(lái)實(shí)現(xiàn)，而接受消息則使用BlueToothGatt的回調(diào)函數(shù)中的OnCharactiesChange函數(shù)進(jìn)行接收，接受內(nèi)容也是BluetoothGatt中的特征值。次要功能則有，搜索BLE設(shè)備，連接BLE設(shè)備，和斷開BLE設(shè)備。藍(lán)牙模塊為一個(gè)Service，所以有一個(gè)對(duì)應(yīng)的Binder來(lái)作為中間橋梁，作為Activities操作藍(lán)牙的接口。

2.4 通訊協(xié)議

通訊協(xié)議主要包含協(xié)議的指令集（Protocol），協(xié)議接收模塊（ProtocolHandler），協(xié)議發(fā)送模塊（ProtocolSender）。協(xié)議指令集(Protocol)最主要的功能就是提供對(duì)Multiwii進(jìn)行通信中所需的所有控制指令（Command）和發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包頭部（Header）。協(xié)議接收模塊（ProtocolHandler）功能為：將藍(lán)牙接收的消息按照Multiwii Serial Protocol進(jìn)行分析，根據(jù)不同的控制指令（Command）來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以得到不同的信息。協(xié)議發(fā)送模塊（ProtocolSender）的功能為將搖桿傳回的舵量，依據(jù)Multiwii Serial Protocol來(lái)進(jìn)行封裝，將數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（舵的個(gè)數(shù)），控制指令（Command），封裝的各個(gè)舵量，校驗(yàn)和封裝為一個(gè)Message,因?yàn)槊看蜗騇ultiwii傳輸?shù)腗essage長(zhǎng)度不都一樣，所以先將Message放入ArrayList中，再調(diào)用listToArray轉(zhuǎn)為byte數(shù)組，至此整個(gè)Message封裝完畢。

2.5 遙控封裝

RC（RadioControl）；RC 部分包括 Channel模塊和Data模塊。Channel為每個(gè)舵量原始值的封裝，通過(guò)搖桿移動(dòng)時(shí)，對(duì)搖桿中間的值進(jìn)行運(yùn)算的到的數(shù)值做基本的封裝，Channel部分實(shí)現(xiàn)了輸出舵量在1000-2000之間，微調(diào)時(shí)也是通過(guò)調(diào)整Channel的value來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出舵量的變化。Data模塊功能則是將各個(gè)舵量的Channel進(jìn)一步進(jìn)行封裝，為封裝控制Message做準(zhǔn)備。Data分別將四個(gè) Channel（Throt,Yaw,Pitch,Roll）的值取出，然后封裝進(jìn)一個(gè)ArrayList中，再通過(guò)listToArray轉(zhuǎn)換為byte數(shù)組，至此完成封裝。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 搖桿

搖桿的父類為Button，但是修改Button的Shape，修改為圓形。搖桿需要實(shí)現(xiàn)的功能為搖桿隨手指移動(dòng)但是并不是搖桿的中心一直在手指按壓的地方。有一個(gè)活動(dòng)界限，當(dāng)手指移動(dòng)超出活動(dòng)界限時(shí)，搖桿依舊在活動(dòng)界限的邊緣。當(dāng)實(shí)例化搖桿時(shí)先獲取搖桿的中心點(diǎn)坐標(biāo)（centerValue_x,centerValue_y）。為實(shí)現(xiàn)搖桿功能，重寫了父類的onTouchEvent方法。實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)功能，當(dāng)手指按下時(shí)，先獲取按下的坐標(biāo)（x,y），再計(jì)算x,y與centerValue_x, centerValue_y的差值toCenter_x，toCenter_y，然后使搖桿 button invisible。實(shí)際上隨手指移動(dòng)的并不是搖桿本身，而是搖桿的一個(gè)鏡像（ImageView），所以得到toCenter后開啟搖桿的繪圖緩沖，獲取搖桿的 bitmap（Bitmap．createBitmap(getDra wingCache())），隨后便釋放緩存，避免重復(fù)鏡像。隨后添加WindowManager．LayoutParams的參數(shù)，主要有g(shù)ravity，x，y（x,y并不是需要繪制的圖形的中心，而是左邊緣和上邊緣），alpha（透明度），width，height。之前已經(jīng)獲取了CenterValue所以x的值為cneterValue_x-getWidth/2,y為 centerValue_y-getHeight/2。之前已經(jīng)獲取了搖桿的bitmap，所以使用setImageBitmap方法初始化拖拽用的imageView,隨后將這個(gè)ImageView利用windowManager的addView添加至屏幕中。拖拽的實(shí)現(xiàn)只需改變layoutParams的x,y再調(diào)用windowManager的updateViewLayout即可。拖拽過(guò)程中隨手指移動(dòng)的imageView的x=moveX - toCenter_x - getWidth()/2，y=moveY - toCenter_y -getHeight()/2 - statusHeight(statusHeight為狀態(tài)欄的高度)，只要刷新x,y值就可實(shí)現(xiàn)隨手指移動(dòng)。邊界使用一個(gè)比搖桿大一些的圓形Button，中點(diǎn)與搖桿相同，位置在搖桿下方，可省去觸摸事件分配的代碼量。邊界主要作用是限制搖桿的移動(dòng)，以及確保傳出的數(shù)值無(wú)論縱向橫向都是1000-2000。邊界的實(shí)現(xiàn)（舉x方向?yàn)榱校┊?dāng)搖桿移動(dòng)時(shí)的中心在邊界內(nèi)時(shí)，按照正常的拖拽即可，當(dāng)超出時(shí)，搖桿只會(huì)停留在邊界，但是如果手指在邊界外移動(dòng)，搖桿也要在邊界移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方法為利用相似三角形定理，moveX到centerValue_x的距離比上搖桿中心到center的距離 = x比上邊界半徑，由此可求出當(dāng)手指移出邊界外，移動(dòng)時(shí)，搖桿在邊界上的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)邊界的作用。搖桿移動(dòng)時(shí)需隨時(shí)傳出舵量，搖桿上下移動(dòng)時(shí)舵量的輸出大小是以中點(diǎn)1500來(lái)做運(yùn)算。先得出每像素代表多少舵量（分量），然后用移動(dòng)中的搖桿的中點(diǎn)坐標(biāo)（layoutParams．x，layoutParams．y）減去中心點(diǎn)坐標(biāo)（centerValue_X,centerValue_y）然后乘上分量，加或減去1500（在中點(diǎn)上方,或右方為加。在中點(diǎn)下方或左方為減）。手指離開屏幕時(shí)，從WindowManager中移除ImageView然后使原來(lái)的搖桿button visible

3.2 藍(lán)牙傳輸

BLE和Blutooth2．0的開發(fā)有一 些區(qū)別，由于BLE誕生較晚，所以整體設(shè)計(jì)語(yǔ)言也是以之后的回調(diào)機(jī)制為主，相較更為復(fù)雜，連接不再只是一段代碼，而是將一個(gè)遠(yuǎn)程BLE設(shè)備抽象為一個(gè)BlueToothGatt對(duì)象，連接則變?yōu)榕c這個(gè)Gatt對(duì)象進(jìn)行連接，之后再通獲取Gatt的BlueToothGattService，再 獲 取Service中的BlueToothGattCharacteristic作為傳輸介質(zhì)，然后上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)對(duì)BlueToothGattCharacteristic的Value進(jìn)行寫值，從而實(shí)現(xiàn)兩端的通信。在回 調(diào) 類（BluetoothGattCallback） 中 通 過(guò) 重 寫onCharacteristicChanged方法實(shí)現(xiàn)對(duì)接受到的信息進(jìn)行處理。掃描設(shè)備同樣采用了回調(diào)機(jī)制（scanCallback），通過(guò)重寫scanCallbakc的onScanResult方法可獲取遠(yuǎn)程BluetoothDevice列表，再通過(guò)用戶選擇來(lái)得到想要的遠(yuǎn)程BluetoothGatt。

3.3 協(xié)議封裝

Multiwii Serial Protocol。要是想與FC進(jìn)行通信，Message就必須遵循一定的格式，這個(gè)格式就是MSP（Multiwii Serial Protocol），協(xié)議分兩種，一種是向F'C發(fā)送消息，一種是從F'C獲得信息。發(fā)送消息的格式為 ＜header＞,＜direction＞,＜size＞,＜command＞,＜data＞．．．,＜crc＞,Header為 $M 的字符串，direction 確定是從F'C獲取信息還是向Multwii發(fā)送消息，’＞’為向FC發(fā)送消息，’＜’為從FC獲取消息。size為data的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，crc為Message的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和的算法為：先將校驗(yàn)和初始為（char）0再依次與size，command，每個(gè)data作異或運(yùn)算（^=）最后得出校驗(yàn)和。例如，我想獲取FC的版本，這條指令是想從FC獲取信息，所以direction為’＜’,查詢MSP（MSP_IDENT）得command（MSP文檔中為message_id）為100(0x64)所以，因?yàn)槭谦@取信息，所以data為空，crc為command，所以整合得一個(gè)獲取FC版本的Message為”$M＜0dd”(字符d的ascii碼為100)。

4 結(jié)語(yǔ)

安卓端使用搖桿控制無(wú)人機(jī)只是一種最基本的用法，這也就意味著在安卓端實(shí)現(xiàn)了了一個(gè)控制接口，而擁有控制接口之后就可以進(jìn)行一些很有趣的拓展，例如在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)一個(gè)環(huán)境的建模，手機(jī)就可以針對(duì)這個(gè)環(huán)境規(guī)劃這個(gè)環(huán)境的飛行路線，從而做到自動(dòng)控制。

[1]郭霖.第一行代碼,北京: 人民郵電出版社，2016-12-01

[2]張?jiān)?深入理解Android系統(tǒng),北京:清華大學(xué)書版社，2015-5

[3]Multiwii 官方文檔http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Multiwii_Serial_Protocol

[4][美] Michael Margolis 著；楊昆云 譯.Arduino權(quán)威指南（第2版）,北京: 人民郵電出版社，2015-03-01

本文由計(jì)算機(jī)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目號(hào)：5111723400。

趙旭，男，本科，北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。彭克勤，女，碩士，副教授，北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院。