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基于 Android 手机的多轴飞行器姿态控制系统
Android 手机的音频接口技术的发展引起了软件开发人员的广泛关注,可以利用音频接口进行相关的控制。音频接口通常与前置麦克、线路输入和其他一系列的输入设备配合使用。在深入理解 Android 开发技术和音频接口后,构建了一个小型控制系统。该系统中通过 Android 平台播放纯音文件,纯音文件播放使得音频接口输出正弦波信号,并通过 Android 端的程序控制信号的幅度和频率。
Android 端通过音频线与 ARM 开发板连接,ARM 开发板将接收的信号转换为遥控器所需的模拟信号,从而控制遥控器发出无线电波控制多轴飞行器的姿态。Android 端的音频接口输出四路信号,左、右两个声道的幅度和频率信号分别对应多轴飞行器的俯仰、横滚、偏航和油门四个姿态。
该设计最终实现了将 Android 平台输出的音频信号转换为四路的数字信号,还未能在实体的多轴飞行器上进行测试。
相关知识点:
1.Android 开发技术:Android 是一个基于 Linux 的开源移动操作系统,提供了一个完整的软件堆栈,包括操作系统、中间件、应用程序和应用程序编程接口(API)。Android 的发展趋势是朝着智能化、网络化和移动化方向发展的。
2.音频接口技术:音频接口是 Android 手机中的一种输入/输出接口,能够将音频信号转换为数字信号或将数字信号转换为音频信号。音频接口通常与前置麦克、线路输入和其他一系列的输入设备配合使用。
3.音频信号处理:音频信号处理是指对音频信号进行处理和分析,以获取音频信号的特征信息。音频信号处理技术广泛应用于语音识别、音频压缩、音频Enhancement 等领域。
4.ARM 开发板:ARM 开发板是一种基于 ARM 架构的微控制器开发板,广泛应用于嵌入式系统、机器人、自动化控制等领域。ARM 开发板具有高性能、低功耗、低成本等特点。
5.遥控器技术:遥控器技术是指使用无线电波或红外线等方式来控制设备的技术。遥控器技术广泛应用于机器人、无人机、家电等领域。
6.多轴飞行器控制:多轴飞行器控制是指使用控制系统来控制多轴飞行器的姿态和运动轨迹。多轴飞行器控制技术广泛应用于无人机、机器人、自动化控制等领域。
7.数字信号处理:数字信号处理是指对数字信号进行处理和分析,以获取数字信号的特征信息。数字信号处理技术广泛应用于图像处理、语音识别、信号处理等领域。
8.系统设计:系统设计是指对系统的总体设计和实现。系统设计需要考虑系统的功能、性能、可靠性、安全性等方面的要求。
9.数据库设计:数据库设计是指对数据库的设计和实现。数据库设计需要考虑数据库的结构、数据类型、数据关系等方面的要求。
10.软件开发技术:软件开发技术是指使用编程语言、开发工具和技术来开发软件的技术。软件开发技术广泛应用于移动应用、Web 应用、桌面应用等领域。
i
基于 Android 手机的多轴飞行器姿态控制系统
摘 要
随着 Android 开发技术的日趋成熟,基于 Android 操作系统的手机使用也越来越广
泛,从而 Android 手机的音频接口技术的发展也引起了软件开发人员的广泛关注,可以
利用音频接口进行相关的控制。
音频接口通常与前置麦克、线路输入和其他一系列的输入设备配合使用。在深入理
解 Android 开发技术和音频接口后,构建了一个小型控制系统。该系统中通过 Android
平台播放纯音文件,纯音文件播放使得音频接口输出正弦波信号,并通过 Android 端的
程序控制信号的幅度和频率。Android 端通过音频线与 ARM 开发板连接,ARM 开发板
将接收的信号转换为遥控器所需的模拟信号,从而控制遥控器发出无线电波控制多轴飞
行器的姿态。Android 端的音频接口输出四路信号,左、右两个声道的幅度和频率信号
分别对应多轴飞行器的俯仰,横滚,偏航和油门四个姿态。
该设计最终实现了将 Android 平台输出的音频信号转换为四路的数字信号,还未能
在实体的多轴飞行器上进行测试。
关键词 Android;音频;单片机
ii
The Multirotor Attitude Control System Based on Android
Abstract
With the maturing of Android development technology, based on the Android operating
system is becoming more and more widely used. so the Android mobile phone audio
interface technology development also caused wide attention of software developers, can use
to control audio interface.
Audio interface and pre - mike usually, line input and a host of other input devices.In the
deep understanding of the Android development technology and audio interface. I built a
small control system. The system through the Android platform in the play pure tone files,
pure tone file broadcast audio interface output sine wave signal, and through to the Android
program control signal amplitude and frequency.Android through audio line connected to the
ARM development board, ARM development board will receive signals into analog signals
required for remote control, remote control to control a radio control multi-axis vehicle
attitude. Android's audio output interface four-way signal, the amplitude and frequency of the
left and right two channel signals respectively corresponding to the pitch of multi-axle
vehicle roll and yaw and the throttle four gesture.
Finally achieved the design of the Android platform of the output audio signal can be
converted into four digital signal of the road. But not on the entity of multi-axle vehicle test.
Key words Android; Audio; Development board
iii
目 录
摘 要 ..........................................................................................................................................i
Abstract......................................................................................................................................ii
1 绪论......................................................................................................................................1
1.1 研究的相关背景........................................................................................................1
1.1.1 多轴飞行器的发展..........................................................................................1
1.1.2 多轴飞行器的控制方式..................................................................................2
1.1.3 多轴飞行器的手机控制方法..........................................................................2
1.2 设计目的....................................................................................................................2
1.3 论文的构成概要........................................................................................................3
2 Android 开发平台及 ARM 开发板 ....................................................................................4
2.1 系统概述....................................................................................................................4
2.2 Android 软硬件平台介绍 .........................................................................................4
2.2.1 Android 架构 ...................................................................................................4
2.2.2 Android 硬件平台 ...........................................................................................6
2.2.3 Android 开发环境 ...........................................................................................6
2.3 ARM 开发板 Tiny M0 介绍 .....................................................................................9
2.3.1 Tiny M0 开发板 ..............................................................................................9
2.3.2 Tiny M0 开发环境 ........................................................................................10
2.4 CY8CKIT-050 开发板 ............................................................................................13
3 系统各功能模块的设计与实现........................................................................................19
3.1 系统构成..................................................................................................................19
3.2 双声道音频信号控制模块......................................................................................19
3.2.1 Android 音频应用开发 .................................................................................19
3.2.2 音频信号幅度控制........................................................................................21
3.2.3 音频信号频率控制........................................................................................22
3.3 位姿控制模块..........................................................................................................23
3.3.1 Android 传感器应用开发 .............................................................................23
3.3.2 Android 方向传感器数据的获取 .................................................................24
3.4 控制信号转换模块..................................................................................................25
3.5 飞行器遥控器的改造..............................................................................................29
4 系统集成与功能测试........................................................................................................31
4.1 系统整体构成..........................................................................................................31
4.2 Android 端控制软件设计与实现 ...........................................................................31
4.3 Tiny M0 端控制软件设计与实现 ..........................................................................35
5 结论....................................................................................................................................42
5.1 本设计所做的主要工作..........................................................................................42
5.2 本设计实现的功能..................................................................................................42
5.3 本设计的不足之处..................................................................................................42
参考文献..................................................................................................................................43
iv
致 谢......................................................................................................................................44
外文原文..................................................................................................................................45
中文翻译..................................................................................................................................55
1
1 绪论
1.1 研究的相关背景
1.1.1 多轴飞行器的发展
多轴飞行器,是一种具有两个旋翼以上的旋翼航空器。由每个轴末端的电动机转动,
带动旋翼从而产生上升动力。通过改变不同旋翼之间的相对速度可以改变推进力的扭矩,
从而控制飞行器的运行轨迹。因为多轴飞行器容易制造和控制,所以常用来制作模型和
遥控飞行器,常见的有四轴、六轴、八轴飞行器。
20 世纪 50 年代,Convertawings 公司在纽约的 Amitycille 制造了一架旋翼式四轴直
升机,Convertawings Model“A”飞行器。Convertawings Model “A”飞行器设计中,
其两侧并没有添加额外的旋翼,而是利用旋翼间协调,产生不同的推力对飞行器进行飞
行姿态控制,因此 Convertawings Model “A”飞行器是第一个设计成功的真正意义上
能够成功向前飞进的四轴飞行器。
近年来,随着新材料科技、MEMS 等一些学科的蓬勃发展,小型多轴飞行器的开
发和研制又出现了新的方法,也使得多轴飞行器的研究有了新的方向。
国际上针对多轴飞行器已经有很多的研究案例与研究成果,然而我国对多轴飞行器
的研究成果还很少。近年来,很多国内高校开展关于多轴飞行器方面的研究工作。从多
轴飞行器的发展现状可以看出我国在该领域与发达国家的差距还很大,必须加大自身的
研发力度,开展自主研发工作。
多轴飞行器以其独特的结构和简洁的系统构架与传统飞行器相比有明显的优势。
(1)以高能电池作为能量与油动力飞行器相比噪音更低,可实现低空飞行不易察
觉。
(2)垂直起降保证其在在较狭小的空间就可以稳定飞行,与定翼飞行器相比有不
受场地限制的优势。
(3)简单的机械部件组成(仅电机轴承为机械部件)与传统直升机(有较复杂的机
械部件与传动结构)相比,维护相当简单。
(4)体积小、重量轻、载重量大是多轴飞行器的一个明显优势。
(5)整机全电子增稳,操作简单。自主导航可实现全自动飞行。性能优异的动力
系统提供了机动灵活的飞行姿态,抗风能力强。
多轴飞行器在各个行业的应用有以下几点:
(1)公安系统的应用
多轴飞行器具有便携、质轻、飞行稳定、噪音低等特点,携带影像设备与侦测设备
可以为秘密侦查提供强有力的手段,可以提供空中第一手影像资料。
(2)消防行业的应用
现场火灾的蔓延、林区火势的详情、高层起火的救生等方面都是消防工作部署的关
键,多轴飞行器可以到现场迅速升空,有了高度就能把详细情况实时传送到地面指挥车,
可以为消防部署提供真实有效地参考。
(3)电力系统的应用
高压线塔的检修维护是一个长期而艰巨的工作,有了多轴飞行器这一有力的工具,
让线路巡视、线塔检修成为简单易行的工作。尤其是在多山地区的传输线路,更能发挥
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