基于Mobile SDK的四旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程飛行控制技術(shù)研究

基于MobileSDK的四旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程飛行控制技術(shù)研究基于MobileSDK的四旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程飛行控制技術(shù)研究

摘要：隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，無(wú)人機(jī)飛控技術(shù)也越來(lái)越受到關(guān)注。本文研究了基于MobileSDK的四旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程飛行控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、電子元件和飛行控制原理進(jìn)行分析，選用了DJIMobileSDK和AndroidStudio作為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了一套基于移動(dòng)設(shè)備的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)，并完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)WiFi連接無(wú)人機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，并通過(guò)MobileSDK控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、高度、速度等各項(xiàng)參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中取得了較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)，飛行控制，MobileSDK，AndroidStudio，飛行姿態(tài)

目錄

第一章緒論

1.1研究背景及意義

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3研究?jī)?nèi)容及方法

1.4論文結(jié)構(gòu)

第二章四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2四旋翼無(wú)人機(jī)工作原理

2.3四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制原理

第三章基于DJIMobileSDK的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)需求分析

3.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3功能實(shí)現(xiàn)

第四章基于AndroidStudio的飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

4.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程

4.3功能測(cè)試

第五章實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及條件

5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

第六章結(jié)論與展望

6.1工作總結(jié)

6.2存在問(wèn)題及展望

第一章緒論

1.1研究背景及意義

隨著航空技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)作為一種新型飛行器，受到越來(lái)越多的關(guān)注。無(wú)人機(jī)不僅可以在一些危險(xiǎn)環(huán)境中代替人類進(jìn)行工作，例如勘測(cè)、災(zāi)害救援等，而且還可以用于軍事、商業(yè)、娛樂(lè)等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它直接決定了無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、高度、速度等參數(shù)，直接影響無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性和精度。

目前，市面上已經(jīng)有許多無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，其中DJI（大疆創(chuàng)新）的Phantom系列、Mavic系列、Spark系列等產(chǎn)品備受歡迎。這些產(chǎn)品不僅在性能、功能、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出色，而且還支持開(kāi)發(fā)者自主開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，MobileSDK是DJI提供的一款手機(jī)開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與無(wú)人機(jī)的通信與控制。

本研究以DJI的MavicPro為研究對(duì)象，基于MobileSDK和AndroidStudio開(kāi)發(fā)一套移動(dòng)設(shè)備上的飛行控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、高度、速度等各項(xiàng)參數(shù)的控制。通過(guò)本研究，將會(huì)有效提高人們對(duì)無(wú)人機(jī)的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)一步拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人機(jī)的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，包括無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖像處理、自主飛行等多個(gè)方向。在無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，主要有PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種方法。

在無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)中，PID控制是一種常用的控制方法。該方法通過(guò)比較無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的差值（也稱為誤差），根據(jù)比例、積分、微分三個(gè)因素構(gòu)建控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。PID控制具有原理簡(jiǎn)單、精度高、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，所以在無(wú)人機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。例如，Zuo等人針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于PID控制的高精度自穩(wěn)控制方法[1]。該方法通過(guò)建立四旋翼的控制模型，構(gòu)建PID控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在保證四旋翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定的同時(shí)，提高了飛行精度。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方面，近年來(lái)也取得了一定的研究進(jìn)展。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制通常將無(wú)人機(jī)的控制模型表示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)計(jì)算出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出，完成對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。例如，Chen等人提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的四旋翼無(wú)人機(jī)控制方法[2]。該方法通過(guò)將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與四旋翼控制模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行高度、速度、姿態(tài)等參數(shù)的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有優(yōu)良的控制性能和適應(yīng)性。

1.3研究?jī)?nèi)容及方法

本研究基于DJI的MavicPro無(wú)人機(jī)，通過(guò)AndroidStudio開(kāi)發(fā)一套基于移動(dòng)設(shè)備的飛行控制系統(tǒng)，即通過(guò)MobileSDK實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與無(wú)人機(jī)的通信和控制。具體研究?jī)?nèi)容包括：

（1）掌握無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制原理。

（2）分析系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)的架構(gòu)，確定系統(tǒng)的功能模塊以及模塊之間的交互關(guān)系。

（3）實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)，包括開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建、程序的編寫(xiě)和調(diào)試等工作。

（4）進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性。

主要研究方法包括文獻(xiàn)研究、實(shí)驗(yàn)分析和軟件開(kāi)發(fā)等。

1.4論文結(jié)構(gòu)

本論文共分為六章，各章內(nèi)容安排如下：

第一章緒論。介紹無(wú)人機(jī)及其飛行控制系統(tǒng)的研究背景和意義，分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說(shuō)明研究?jī)?nèi)容和方法，提出論文結(jié)構(gòu)。

第二章四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理。詳細(xì)介紹四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及無(wú)人機(jī)的飛行控制原理。

第三章基于DJIMobileSDK的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。分析系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)飛行控制系統(tǒng)的架構(gòu)，確定系統(tǒng)的功能模塊以及模塊之間的交互關(guān)系。

第四章基于AndroidStudio的飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括軟件和硬件環(huán)境，闡述系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括程序的編寫(xiě)和調(diào)試等工作。

第五章實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和條件，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第六章結(jié)論與展望。對(duì)本研究的工作進(jìn)行總結(jié)，指出存在的問(wèn)題并展望未來(lái)發(fā)展方向1.5預(yù)期研究成果

本研究旨在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套基于DJIMobileSDK的飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行和自主導(dǎo)航功能。預(yù)期研究成果包括：

（1）設(shè)計(jì)出可擴(kuò)展、易維護(hù)的飛行控制系統(tǒng)架構(gòu)。

（2）開(kāi)發(fā)出基于AndroidStudio平臺(tái)的飛行控制系統(tǒng)軟件，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的遙控和自主導(dǎo)航功能。

（3）利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)飛行中的可行性和有效性。

（4）為進(jìn)一步研究無(wú)人機(jī)的自主導(dǎo)航及其他應(yīng)用提供參考。

1.6研究的局限性

本研究中僅考慮了四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制，未涉及其他類型無(wú)人機(jī)的控制。另外，本研究中僅考慮基于DJIMobileSDK的飛行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，未對(duì)其他控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。此外，由于實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備限制，本研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能受到一定的局限性1.6研究的局限性（續(xù)）

本研究所使用的硬件平臺(tái)主要是DJIPhatom4Pro無(wú)人機(jī)，而未考慮其他品牌和型號(hào)的無(wú)人機(jī)。不同的無(wú)人機(jī)具有不同的物理特性和控制系統(tǒng)，因此該研究結(jié)果僅適用于基于DJIPhatom4Pro無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。

此外，本研究中的自主導(dǎo)航算法復(fù)雜度較低，僅實(shí)現(xiàn)了基本的路線規(guī)劃和飛行控制功能，未考慮更加復(fù)雜的場(chǎng)景和環(huán)境下的自主導(dǎo)航問(wèn)題。因此，這些算法需要在更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證。

最后，本研究中的無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)受到了天氣、環(huán)境和設(shè)備等多方面因素的影響。采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差和偏差。因此，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和結(jié)論得出時(shí)，需要考慮這些因素的影響，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。

雖然本研究存在以上局限性，但