方林旭+张智鹏+党元浩+曹芳菲

摘 要：“瞳翼”智能四轴飞行器是一款能够通过电脑、手机App以及GPS定点导航三种方式控制的可实时进行视频传输的航拍飞行器。飞行器主体是小型四旋翼飞行器，主要由飞行器姿态控制部分、无线传输部分以及控制端软件部分组成。本作品短距离可利用飞行器自身WiFi采用电脑和手机App重力感应控制飞行，具有较强的趣味性、娱乐性，是十分有发展前景的新型智能玩具。此外，远距离还可采用GPS导航定点飞行，从而可实现城市监测、林业监测、交通监测等，是现代无人机技术的有力补充。

关键词：手机控制;重力感应;GPS定点巡航;实时图传

1  作品详细介绍

本产品有以下四个功能特色。

1.1  手机App控制

通过开发手机重力感应功能，这款四旋翼飞行器可通过手机App进行飞行控制。App界面如图1所示。控制飞机前，需要先连接飞机的无线网络，点击连接按钮后，手机便可向飞行器发送数据。解锁后，使用者可通过重力感应对飞行器控制，同时可查看飞行中的航拍图像。

图1  手机App界面

1.2  电脑控制

电脑控制界面如图2所示，可通过点击油门和方向键来控制飞行器。界面左侧为飞行器实时拍摄传输回来的图像。

图2  电脑控制界面

1.3  GPS定点巡航飞行

控制界面如图3所示。当飞行器控制距离超过其自身WiFi传输距离时，采用远距离地面站台控制，通过GPS定点实现对飞行器飞行路线的控制。

图3  GPS巡航飞行控制界面

1.4  多个设备同时查看图像

本产品采用独特图传技术，支持多个设备同时查看飞行器飞行过程中的航拍图像，如图4所示。

图4  多个设备同时查看航拍图像

2  作品原理

2.1  开发过程

在作品研发过程中，我们首先分别对软件和硬件进行开发，最后进行整体功能调试，开发过程如图5所示。

图5  作品开发过程

2.2  作品硬件结构

近距离采用WiFi控制，产品硬件如图6所示，由机架、飞行控制电路、无线传输电路以及摄像头组成。在此基础上，加入GPS模块以及电台装置，便可实现远距离GPS导航控制，如图7所示。

图6近距离控制硬件                       图7远距离控制硬件

2.3  作品技术说明

四旋翼飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器，并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构。与传统的飞行器不同，四旋翼飞行器通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。

本作品的主体是小型四旋翼飞行器，主要由飞行器姿态控制部分、无线传输部分以及控制端软件部分组成。

2.3.1  飞行器姿态控制部分

飞行控制系统主控芯片采用简单快速的经济性单片机ARDUINO PRO MINI，可实现对三轴加速度、三轴角速度、电子罗盘等数据的测量，从而完成对飞行姿态的有效控制。在飞行姿态部分，采用PID算法来调整和保持飞行器正常的飞行姿态，并对采集回的传感器测量值进行相应的软件滤波、数据融合，消除传感器的有害测量值对飞行控制的影响。

2.3.2  无线传输部分

首先搭建基本OPENWRT路由器系统，在此基础上开发网络协议，手机App端（或电脑端）根据网络TCP协议发送飞行器控制数据，经路由器输出端连接飞行控制板进行串口信息交换，实现飞行器控制，同时读取航拍图像。

由于飞行器搭载WiFi无线网络利用手机控制局限于WiFi信号覆盖范围，为远远扩大控制区域，需使用无线电台。

2.3.3  控制端软件部分

在开发手机App的过程中，首先测试手机重力传感器，加入网络许可，测试网络协议，然后建立飞行器控制协议。由网络搭载信息，通过手机TCP/IP对应端口与路由器（中介服务器）通信，从而与飞行器通信。最后加入网络UDP数据流读取，实时读取航拍数据流并显示。电脑控制台软件的开发过程与手机App的开发过程类似，但电脑无需调试重力感应，通过界面按钮和电脑键盘联合控制实现，并可通过调按键来控制灵敏度。

3  作品创新点

本产品作为一款新型智能飞行器，具有以下五大创新点。

（1）控制方式多样。本作品近距离可采用手机App重力感应或电脑控制，远距离可采用远距离GPS定点巡航飞行

（2）特配机体，完美效力，飞行时间长。5 200 mAh锂电池，空载总重小，最长飞行时间可达30分钟。

（3）多个设备同时查看图像。采用独特图传技术，可支持多个设备同时查看航拍图像。

（4）性价比高。采用高效低成本ATMEGA328P核心控制飞机平稳飞行。

（5）防风设计防雨保护。外壳采用室外专用外壳，全天候飞行风雨无阻。

4  市场前景

随着人们生活水平的逐步提高，青少年对玩具的需求程度也逐渐上升。根据调查结果总体来看，国内玩具大都功能单一，外型单调，电子、智能型玩具具有很大吸引力。

“瞳翼”智能四轴飞行器面向14周岁以上青少年，具有较强的趣味性、娱乐性，能够培养青少年动手和思考的能力，是十分有发展前途的新型玩具。

此外，本产品还可利用GPS卫星定位进行路线定点自动飞行，加之其具有视频实时传输功能，从而可实现城市监测、交通监测、林业监测等，是现代无人机技术的有力补充。