基于qt的飛行器上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于Qt的飛行器通用上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

作者：呂偉龍向豪楊雨昕

來源：《電子技術(shù)與軟件工程》第07期

摘要針對(duì)飛行器上位機(jī)控制器的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種合用于桌面、移動(dòng)端、嵌入式平臺(tái)等的跨平臺(tái)飛行器上位機(jī)軟件。本系統(tǒng)基于Qt5.5框架，運(yùn)用C++語言編寫出主程序，在Qt框架中調(diào)用百度地圖，實(shí)現(xiàn)飛行器的途徑規(guī)劃與顯示；采用JSON格式自定義的通信合同，實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換和上位機(jī)的命令公布。另外，本文還具體討論了通信時(shí)的界面控制邏輯與飛行器安全飛行的控制方案。

【核心詞】多旋翼飛行器上位機(jī)圖形視圖框架數(shù)據(jù)傳輸合同

Qt是一種由Trolltech公司開發(fā)的，為桌面，移動(dòng)端，嵌入式設(shè)計(jì)的跨平臺(tái)的應(yīng)用程序框架，支持涉及Linux，OSX，Windows，VxWorks，QNX，Android，iOS，BlackBerry，SailfishOS等平臺(tái)。Qt本身不是一種編程語言，它是一種用C++寫的框架。預(yù)解決器（MOC元對(duì)象編譯器）被用于運(yùn)用某些特性（例如信號(hào)和槽）來拓展C++語言。在編譯環(huán)節(jié)中，MOC解析用Qt擴(kuò)展的C++源文獻(xiàn)并從中生成符合原則的C++的源文獻(xiàn)。因此框架本身和應(yīng)用程序/庫使用它能夠通過任何符合原則的C++編譯器例如Clang，GCC，ICC，MinGW和MSVC。

多旋翼飛行器由于其能夠垂直起降，并且含有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域，并且近些年逐步進(jìn)入大眾的視野里，成為普通百姓也能購置、操作的機(jī)械“玩具”。但由于多旋翼飛行器的旋翼轉(zhuǎn)速極快，如果誤操作或者飛行器失控很容易發(fā)生危險(xiǎn)；市面上也極少有能夠支持多品牌、多個(gè)多旋翼飛行器的上位機(jī)程序。為理解決這些問題，本文基于Qt平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種控制簡(jiǎn)樸、操作安全、顧客體驗(yàn)較好的通用飛行器上位機(jī)系統(tǒng)。

1通信原理介紹

1.1數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

本文采用的是一種主從式的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。主設(shè)備（上位機(jī)）先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解決，然后再向從設(shè)備（下位機(jī)）發(fā)送所要執(zhí)行的命令；從設(shè)備接受到數(shù)據(jù)后分析是哪種命令，接著發(fā)送已接受到的信號(hào)和有關(guān)的信息給主設(shè)備；主設(shè)備接受到從設(shè)備已接受的信號(hào)后，開始重復(fù)第一步，依次循環(huán)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

1.2數(shù)據(jù)傳輸合同

本文采用的通信合同運(yùn)用的是輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式JSON，具體交換內(nèi)容如表1所示。

2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的重要功效構(gòu)造圖如圖2所示。

采用Qt框架，C++語言實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)軟件，重要涉及下列窗口：

2.1設(shè)立窗口

重要實(shí)現(xiàn)通信前對(duì)多個(gè)有關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)立和途徑規(guī)劃，同時(shí)也將有關(guān)信息在窗口中顯示給顧客，重要涉及下列界面：

2.1.1基本設(shè)立界面

重要實(shí)現(xiàn)對(duì)通信所需的各個(gè)數(shù)據(jù)的初始化和電量顯示，重要涉及下列功效（界面如圖3所示）：

（1）串口設(shè)立：通過調(diào)用Qt的

串口庫來對(duì)串口的幾個(gè)參數(shù)（串標(biāo)語，波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，校驗(yàn)位，流控）進(jìn)行設(shè)立，顧客能夠在設(shè)立好參數(shù)后，點(diǎn)擊打開串口按鈕開始通信。

（2）安全有關(guān)提示設(shè)立：可在次部分對(duì)失控行為，低電量、超低電量提示進(jìn)行設(shè)立，也能夠在次部分看到電池電量，確保飛行器的安全。

2.1.2途徑設(shè)立界面

重要實(shí)現(xiàn)在開始任務(wù)前對(duì)飛行途徑的設(shè)立，重要涉及下列功效（界面如圖4所示）：

（1）地圖顯示：通過調(diào)用Qt的庫加載在線地圖，地圖里涉及操作手現(xiàn)在位置、飛行器現(xiàn)在位置和飛行器的行動(dòng)軌跡。

（2）飛行途徑設(shè)立：顧客能夠通過點(diǎn)擊地圖來規(guī)劃飛行器的飛行軌跡，也能夠按下旁邊的刪除一種/刪除全部按鈕來對(duì)之前點(diǎn)擊的軌跡進(jìn)行修改，重要通過修改.html的代碼實(shí)現(xiàn)。

2.2控制窗口

重要實(shí)現(xiàn)通信時(shí)對(duì)多個(gè)有關(guān)部件的控制，同時(shí)也將有關(guān)信息在窗口中顯示給顧客，重要涉及下列功效（界面如圖5所示）：

（1）云臺(tái)控制：顧客能夠通過點(diǎn)擊其中的按鈕，來變化云臺(tái)的狀態(tài)（光圈，變倍，焦距，方向）并保存至本地，每次交換數(shù)據(jù)結(jié)束后自動(dòng)清空這類數(shù)據(jù)。

（2）任務(wù)指令公布：提供8個(gè)指令方便顧客操控飛行器，當(dāng)顧客點(diǎn)擊按鈕后，根據(jù)顧客所要公布的指令，讀取有關(guān)本地?cái)?shù)據(jù)，自動(dòng)構(gòu)成一種符合JSON規(guī)定的字符串并通過串口發(fā)送出去。

（3）高度速度控制：顧客能夠通過滑動(dòng)控件來變化飛行器的高度和速度。

（4）有關(guān)信息顯示：在每次交換信息之后，將新傳來的核心數(shù)據(jù)顯示出來，方便顧客在控制飛行器時(shí)實(shí)時(shí)的獲取飛行器的核心信息。

3核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1地圖的導(dǎo)入和交互

要想在Qt框架中導(dǎo)入百度地圖，首先要到百度地圖API官網(wǎng)上注冊(cè)一種密鑰，可在通過其網(wǎng)站自動(dòng)生成一種在線地圖的.html文獻(xiàn)，也可自己編寫；然后在Qt設(shè)計(jì)師界面創(chuàng)立一種QWebView的控件，再將QWebView控件中URL選項(xiàng)填入之前生成的.html文獻(xiàn)地址，注意要調(diào)用此控件的前提是在.pro文獻(xiàn)里添加一行QT+=webkitwidgets；接著能夠修改之前的.html文獻(xiàn)，通過百度地圖的API，設(shè)計(jì)適合本系統(tǒng)的顯示內(nèi)容（如飛行途徑等）；最后通過調(diào)用庫中的evaluateJavaScript（）函數(shù)和addToJavaScriptWindowObject（）函數(shù)完畢Qt與地圖的交互。

3.2通訊數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和分離

由于本系統(tǒng)調(diào)用的是Qt內(nèi)部的串口庫，因此不需要過多的研究底層的通信和解析方式，通過調(diào)用次庫中的write（）和readAll（）函數(shù)能夠直觀的用字符串進(jìn)行通信。我們要做的就是在這個(gè)庫的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種較為簡(jiǎn)樸直觀的通信合同，方便上、下位機(jī)轉(zhuǎn)換、分離。

3.2.1數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換量不大，故采用輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式JSON。通過Qt內(nèi)部的JSON庫能夠很方便的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到本地。

3.2.2數(shù)據(jù)的分離

由于串口的數(shù)據(jù)是每隔一段時(shí)間全部讀取一次，再加上外界有可能有干擾，由此讀取的數(shù)據(jù)很有可能丟失或出錯(cuò)，因此需要對(duì)有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離。本系統(tǒng)運(yùn)用字符‘&’和‘|’表達(dá)一種命令的開頭和結(jié)尾，從串口讀取數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存入一種數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再將緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)從頭開始掃，當(dāng)描掃到第一種‘&’后將‘&’前的全部數(shù)據(jù)刪除，再從次位開始掃描，直到出現(xiàn)‘|’結(jié)束，把中間的數(shù)據(jù)提出，并轉(zhuǎn)換為有效的數(shù)據(jù)；若有2個(gè)‘&’持續(xù)出現(xiàn)，則認(rèn)為是第一種‘&’之后的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，將第二個(gè)‘&’前的全部字符刪除。

3.3通信時(shí)的界面控制邏輯

本系統(tǒng)的操作命令一共有如表1所示的9種，其中前8種為手動(dòng)發(fā)出的命令，它們?cè)谲浖懈饔幸环N按鈕能夠操控，但是它們的執(zhí)行有先后次序，例如開始任務(wù)命令需要在起飛后才干執(zhí)行，因此開始命令只能在起飛命令發(fā)送并完畢后才能夠發(fā)送。為了避免顧客在發(fā)送命令時(shí)產(chǎn)生誤操作，也為了顧客能更加好的明白本系統(tǒng)的命令執(zhí)行流程，故在通信過程中，本系統(tǒng)加入了某些限制條件，初始狀態(tài)下可按的僅有起飛按鈕，具體如表2。

3.4飛行器安全飛行的控制方案

由于多旋翼飛行器的旋翼轉(zhuǎn)速極快，如果誤操作或者飛行器失控很容易發(fā)生危險(xiǎn)，因此安全性問題是必須要解決的問題。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了下列幾點(diǎn)在安全性方面的優(yōu)化：

（1）低電量提示：能夠設(shè)立在電池處在低于20%電量的時(shí)候，上位機(jī)軟件跳出提示窗口，提示顧客已低于20%電量。默認(rèn)啟動(dòng)。

（2）超低電量提示：能夠設(shè)立在電池處在低于10%電量的時(shí)候，上位機(jī)軟件跳出提示窗口，提示顧客已低于10%電量，并終止現(xiàn)在命令，執(zhí)行失控行為。此時(shí)本系統(tǒng)不允許顧客繼續(xù)進(jìn)行操作，顧客只能通過遙控器來操作飛行器。默認(rèn)啟動(dòng)。

（3）失控行為設(shè)立：本系統(tǒng)中失控行為可設(shè)立的一共分為3種，懸停、返航、降落。默認(rèn)為懸停。

（4）為了避免顧客過快的變化高度/速度使飛行器失控，本系統(tǒng)設(shè)立了一種閥值--當(dāng)顧客一次性變化高度/速度超出10米/10米每秒時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)跳出彈窗提示顧客不能過快的變化高度/速度，并將變化量返回至原值±10。

4結(jié)束語

文中介紹了一種合用于桌面、移動(dòng)端、嵌入式平臺(tái)等的跨平臺(tái)飛行器上位機(jī)軟件。對(duì)如何在Qt中導(dǎo)入地圖以及如何運(yùn)用Qt框架進(jìn)行快速開發(fā)做了簡(jiǎn)樸的介紹，具體的分析了上、下位機(jī)的通信原理、飛行器安全飛行的控制方案和通信時(shí)的界面控制邏輯。該軟件運(yùn)用Qt框架大大縮短了軟件開發(fā)時(shí)間并減小了軟件開發(fā)難度。軟件模塊功效分明，易于開發(fā)和維護(hù)且含有控制簡(jiǎn)樸，操作安全的特點(diǎn)，合用于大部分廠商開發(fā)的飛行器。

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