- 引言
1.1 目的
本文檔旨在定義一種標(biāo)準(zhǔn)化的無人機(jī)和控制手柄之間的控制通信協(xié)議。通過規(guī)范數(shù)據(jù)的格式和傳輸方式耘婚，以及定義控制指令和參數(shù)罢浇，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的有效、準(zhǔn)確和安全控制沐祷。
1.2 適用范圍
本文檔適用于無人機(jī)及其配套的控制手柄嚷闭，尤其是采用二維搖桿和按鈕開關(guān)的控制系統(tǒng)。
- 通信接口和硬件要求
2.1 通信接口
類型：2.4 GHz 無線電頻率
通信范圍：最大 1 公里
加密：AES-256
2.2 硬件要求
控制手柄：具有雙二維搖桿赖临、按鈕開關(guān)胞锰、液晶顯示屏
無人機(jī)：具有 GPS、陀螺儀兢榨、加速度計(jì)嗅榕、高度計(jì)挠进、前置攝像頭 - 數(shù)據(jù)傳輸
3.1 數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)包由頭部、負(fù)載和尾部組成誊册。
頭部：
開始字節(jié)：固定值 0xAA领突，用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的開始。
數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度：1字節(jié)案怯，表示負(fù)載和尾部的字節(jié)數(shù)君旦。
數(shù)據(jù)包類型：1字節(jié)，表示負(fù)載中的指令類型嘲碱。
負(fù)載：
指令和參數(shù)：根據(jù)不同的控制指令金砍，負(fù)載部分的長(zhǎng)度和內(nèi)容會(huì)有所不同。
尾部：
校驗(yàn)和：1字節(jié)麦锯，由頭部和負(fù)載的所有字節(jié)進(jìn)行異或（XOR）操作得到恕稠。
結(jié)束字節(jié)：固定值 0x55，用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的結(jié)束扶欣。
校驗(yàn)思路：
計(jì)算校驗(yàn)和的方法是將數(shù)據(jù)包中頭部和負(fù)載的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行異或操作鹅巍。在接收端，也要進(jìn)行同樣的操作料祠，并將計(jì)算得到的值與數(shù)據(jù)包尾部的校驗(yàn)和進(jìn)行比較骆捧，如果相同，則數(shù)據(jù)包是完整的髓绽，否則說明在傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤敛苇。
示例代碼 (Python)：
def create_data_packet(packet_type, payload):
# 頭部
start_byte = 0xAA
length = len(payload) + 2 # 負(fù)載長(zhǎng)度 + 校驗(yàn)和(1字節(jié)) + 結(jié)束字節(jié)(1字節(jié))
# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)包 (頭部 + 負(fù)載)
data_packet = bytes([start_byte, length, packet_type]) + payload
# 計(jì)算校驗(yàn)和
checksum = 0
for byte in data_packet:
checksum ^= byte
# 添加尾部 (校驗(yàn)和 + 結(jié)束字節(jié))
end_byte = 0x55
data_packet += bytes([checksum, end_byte])
return data_packet
# 示例: 創(chuàng)建一個(gè)設(shè)置航向(YAW)為 90° 的數(shù)據(jù)包
# 假設(shè)數(shù)據(jù)包類型 0x01 代表設(shè)置航向，負(fù)載是一個(gè)字節(jié)的角度值（-128° 到 127°）
packet_type = 0x01
payload = bytes([90]) # 90°
data_packet = create_data_packet(packet_type, payload)
# 輸出數(shù)據(jù)包的16進(jìn)制表示
print("Data Packet:", data_packet.hex().upper())
3.2 傳輸頻率
默認(rèn)傳輸頻率：50Hz
最大延遲：20ms
- 控制指令
4.1 航向控制
指令：SET_YAW
參數(shù)：角度（-180° 至 180°）
為了使控制指令更具可讀性顺呕，我們可以使用JSON格式表示負(fù)載內(nèi)容枫攀。然而，請(qǐng)注意株茶，JSON數(shù)據(jù)在傳輸前需要編碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)串来涨，而在接收端需要解碼。
另一方面忌卤，我們可以定義指令類型字節(jié)扫夜，用于區(qū)分不同的指令。例如驰徊，我們可以定義 0x01 表示設(shè)置航向笤闯，0x02 表示設(shè)置俯仰等。
下面是示例代碼棍厂，展示如何使用JSON數(shù)據(jù)格式表示負(fù)載內(nèi)容颗味，并封裝函數(shù)接口以便于開發(fā)人員使用：
import json
def calculate_checksum(data_packet):
checksum = 0
for byte in data_packet:
checksum ^= byte
return checksum
def create_data_packet(packet_type, payload):
# 將負(fù)載轉(zhuǎn)換為JSON格式的字節(jié)串
payload_bytes = json.dumps(payload).encode()
# 頭部
start_byte = 0xAA
length = len(payload_bytes) + 2 # 負(fù)載長(zhǎng)度 + 校驗(yàn)和(1字節(jié)) + 結(jié)束字節(jié)(1字節(jié))
# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)包 (頭部 + 負(fù)載)
data_packet = bytes([start_byte, length, packet_type]) + payload_bytes
# 計(jì)算校驗(yàn)和
checksum = calculate_checksum(data_packet)
# 添加尾部 (校驗(yàn)和 + 結(jié)束字節(jié))
end_byte = 0x55
data_packet += bytes([checksum, end_byte])
return data_packet
# 封裝接口
def set_yaw(yaw_angle):
packet_type = 0x01
payload = {"yaw": yaw_angle}
return create_data_packet(packet_type, payload)
def set_pitch(pitch_angle):
packet_type = 0x02
payload = {"pitch": pitch_angle}
return create_data_packet(packet_type, payload)
# 示例
yaw_packet = set_yaw(90) # 設(shè)置航向?yàn)?0度
pitch_packet = set_pitch(-45) # 設(shè)置俯仰為-45度
# 輸出數(shù)據(jù)包的16進(jìn)制表示
print("Yaw Data Packet:", yaw_packet.hex().upper())
print("Pitch Data Packet:", pitch_packet.hex().upper())
上述代碼示例包含創(chuàng)建數(shù)據(jù)包的核心函數(shù)create_data_packet，以及為開發(fā)人員提供的兩個(gè)接口函數(shù)set_yaw和set_pitch牺弹。這些接口函數(shù)封裝了設(shè)置航向和俯仰角的操作浦马。在這個(gè)示例中时呀，負(fù)載是以JSON格式表示的，并且在創(chuàng)建數(shù)據(jù)包之前被編碼成字節(jié)串晶默。### 4.2 俯仰控制
指令：SET_PITCH
參數(shù)：角度（-90° 至 90°）
4.3 橫滾控制
指令：SET_ROLL
參數(shù)：角度（-90° 至 90°）
4.4 高度控制
指令：SET_ALTITUDE
參數(shù)：米（m）
4.5 燈光控制
指令：SET_LIGHTS
參數(shù)：亮度等級(jí)（0 - 100）
4.6 相機(jī)控制
指令：SET_CAMERA_ANGLE
參數(shù)：角度（-90° 至 90°）
指令：SET_CAMERA_RECORD
參數(shù)：開始/停止（1/0）
- 異常處理和安全
5.1 異常檢測(cè)
掉線檢測(cè)：如果在5秒內(nèi)沒有收到控制信號(hào)谨娜，認(rèn)為掉線
電池電量檢測(cè)：如果電池電量低于20%，啟動(dòng)低電量警告
5.2 安全措施
在無人機(jī)控制系統(tǒng)中磺陡，安全措施是非常關(guān)鍵的趴梢。這里我們可以討論幾個(gè)常見的安全措施并給出示例代碼。
掉線時(shí)自動(dòng)返航：當(dāng)無人機(jī)與控制器斷開連接時(shí)币他，無人機(jī)應(yīng)自動(dòng)返回起飛點(diǎn)坞靶。
電池電量不足時(shí)自動(dòng)返航：當(dāng)無人機(jī)的電池電量低于一個(gè)預(yù)定閾值時(shí)，無人機(jī)應(yīng)自動(dòng)返回起飛點(diǎn)蝴悉。
傾斜角度超過安全范圍時(shí)自動(dòng)穩(wěn)定：當(dāng)無人機(jī)的傾斜角度超過一個(gè)安全范圍時(shí)彰阴，無人機(jī)應(yīng)自動(dòng)調(diào)整其角度以保持穩(wěn)定。
class Drone:
def __init__(self):
self.battery_level = 100 # 電池電量百分比
self.connection_status = True # 與控制器的連接狀態(tài)
self.tilt_angle = 0 # 無人機(jī)的傾斜角度
self.is_returning_home = False
def check_connection(self):
# 檢查與控制器的連接拍冠，如果斷開則設(shè)置 self.connection_status 為 False
# 此處模擬斷開連接
self.connection_status = False
def check_battery(self):
# 檢查電池電量尿这，此處模擬電池電量降低
self.battery_level -= 1
def check_tilt_angle(self):
# 檢查傾斜角度，此處模擬傾斜角度增加
self.tilt_angle += 5
def return_to_home(self):
if not self.is_returning_home:
print("Returning to home...")
self.is_returning_home = True
def stabilize(self):
if abs(self.tilt_angle) > 30: # 假設(shè)超過30度為不安全
print(f"Stabilizing from {self.tilt_angle} degrees...")
self.tilt_angle = 0
# 模擬無人機(jī)
drone = Drone()
# 模擬檢測(cè)循環(huán)
for _ in range(10):
drone.check_connection()
drone.check_battery()
drone.check_tilt_angle()
if not drone.connection_status or drone.battery_level < 20:
drone.return_to_home()
drone.stabilize()
在這個(gè)示例代碼中倦微，我們創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的Drone類來模擬無人機(jī)的行為妻味。這個(gè)類包含一些基本屬性，如電池電量欣福、連接狀態(tài)和傾斜角度，以及幾個(gè)方法來檢查這些屬性和執(zhí)行相應(yīng)的安全措斆焦履。我們通過一個(gè)檢測(cè)循環(huán)來模擬無人機(jī)的飛行過程拓劝，并在每個(gè)循環(huán)中檢查無人機(jī)的狀態(tài)，如果需要嘉裤，執(zhí)行安全措施郑临。
請(qǐng)注意，此代碼僅用于示例目的屑宠，實(shí)際無人機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會(huì)更加復(fù)雜厢洞，并且需要考慮許多其他因素和安全措施。## 6. 測(cè)試和驗(yàn)證
在控制范圍內(nèi)進(jìn)行飛行測(cè)試典奉，驗(yàn)證無人機(jī)的航向躺翻、俯仰、橫滾卫玖、高度公你、燈光和相機(jī)控制的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。
在邊界條件下（如最大距離假瞬、最低電量）進(jìn)行測(cè)試陕靠，驗(yàn)證安全措施的有效性迂尝。
- 附錄
數(shù)據(jù)包格式示例
控制手柄和無人機(jī)的硬件規(guī)格
安全標(biāo)準(zhǔn)和要求 - 修訂歷史
版本 1.0，2023年6月17日剪芥，初版發(fā)布垄开。
