理论广角 ●Ｉ 无人飞行器通信网络设计以及实现 翁振粤 （广东省建筑科学研究院设备研究所 广东 广州 ５ ｌ００００） ［摘要］飞行机器人是一个极具挑战性的多学科交叉的前沿性研究课题。作为空中机器人的无人驾驶直升飞机，在军事上可用于侦察、 监视等，在民用上可用于大地测量、遥感等。目前，美国、日本、欧洲国家等发达国家在这方面的研究已经有了不小的进展，国内的研 究也开始起步。本文就无人飞行器通信网络进行设计讨论。 ［关键词］无人飞行器 网络通信 ＵＤＰ协议 ｓｏｃｋｅｔ编程 中图分类号：ＴＮ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－９１４ｘ（２０１０）１ ７－０３０５－０１ 我们采用Ｔ ＩＧＥＲ～５０航模直升飞机作为机械平台，利用ＩＭＵ，电 子罗盘，Ｇ Ｐ Ｓ，声纳等传感器提供了自主飞行需要的导航信息，采 用了ＰＣ—ｌ ０４统作为导航计算机。在这些硬件基础上，我搭建了自 主飞行的完整软件平台，完成自主飞行功能，该软件系统包含机站控制 程序和监控平台程序，机站控制程序完成飞行器的自主控制，监控平 台程序完成地面监控功能 机站控制程序运行在ＰＣ１０４上面，而监控 平台程序运行在我们的地面的ＤＥＬＬ笔记本上面，两者的通信只能通过 无线网络来连接，本文设计的通信网络就是要达到连接机站软件和地 面站的数据通信目的。 硬件上面，我们选用了思科公司的ＷＲＴ５４ＧＣ～ＣＮ迷你型无线宽带 路由器作为机载无线通讯设备，它采用８０２．１ １ｇ作为通讯协议，最大 传输速率达到５４Ｍ。监控平台采用内置符合８０２．儿ｇ协议无线以太网 卡的ＤＥＬＬ笔记本。 下面是本文的重点，网络软件的设计，分为两个部分：机站部分 和地面站部分。 机站网络软件的设计涉及到的ＵＤＰ相关的ＡＰＩ函数： 从进程到内核传递ｓｏｃｋｅｔ地址结构的４个ＡＰＩ：ｂｉｎｄ；ｃｏｎｎｅｃｔ： ｓｅｎｄｔｏ：ｓｅｎｄｍｓｇ：这些函数从进程拷贝ｓｏｃｋｅｔ的地址结构，并显式 以作为参数传递给这４个函数的地址结构的长度设置ｓｉｎ １ｅｎ成员。 而从内核到进程传递ｓｏｃｋｅｔ地址的５个ＡＰＩ：ａｃｃｅｐｔ，ｒｅｃｖｆｒｏｉｌ］， ｇｅｔｐｅｅｒｎａｍｅ，ｇｅｔｓｏｃｋｎａｍｅ均在返回到进程之前设置ｓｉｎ—ｌｅｌｌ成员。 这些函数提供的基本的ｓｏｃｋｅｔ接口。在这些函数中涉及到几个基本的 系统数据类型，定义在＜ｎｅｔｉｌｌｅｔ／ｉｎ．ｈ＞头文件中包括ｓｏｃｋａｄｄｒ ｉｎ 和ｓｏｃｋａｄｄｒ，两种结构可以相互转换，经常就是将ｓｏｃｋａｄｄｒ ｉｎ强 行转换成为ｓｏｃｋａｄｄｒ。当把ｓｏｃｋｅｔ地址结构传递给ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ的 时候，总是通过指针来传递的。 了解到上面的基本函数和结构体之后，我们就可以开始编写我们 的软件了。我们机站上面创立三个套接口，分别用于发送状态信息，接 收控制参数和接收飞行目标点。其中两个为服务器端、一个为客户端。 服务器端和客户端的软件构架是不一样的。他们的区别在于，服务程 序总是被动的等待连接，服务程序一启动，初始化完毕就进入等待连 接状态：而客户程序启动后，向远程服务程序发出连接请求，服务程 序收到请求后，按照一定的规则建立连接，连接完成后，两个程序就 之间就建立了一个虚拟的数据通讯链路，这些程序可以直接从自己打 开的套接口读入和写出数据，而不用关心实际的数据链路。下来将介 绍两种基本编程模式程序的编写。 客户程序编写的基本方法 步骤：创建套接口一与远程服务程序 连接一读／写数据一终止连接。创建套接口用ｓｏｃｋｅｔ函数，该函数成 功时返回一个套接口描述字 与远程服务程序连接使用ｃｏｎｌｌｅｃｔ函数， 该函数调用成功后，套接口描述字就与远程服务程序建立好了连接， 可以开始读／写了。读／写数据使用ｒｅａｄ和ｗｒｉｔｅ函数。读写完后可 调用函数ｃｌｏｓｅ关闭套接口，参数为套接口描述字。 服务程序编写的基本方法。步骤：创建套接口一绑定套接口一设 置套接口为监听模式，进入被动接受连接请求状态一接受请求，建立 连接一读／写数据一终止连接。绑定套接口是为本程序分配一个供使 用的通信端口，使用ｂｉｎｄ函数。调用函数ｌｉ ｓｔｅｌｌ后套接口进入监听 状态，再调用ａｃｃｅｐｔ函数接受连接请求，如果没有连接请求，ａｃｃｅｐｔ 函数将使程序进入睡眠状态，直到被远程客户程序的请求所唤醒。连 接一旦建立读／写与客户程序相同。服务程序一般在设置为监听模式 后处于不断的接受请求、处理请求的循环中。 比如我们机站的软件上面，用于发送ＵＡＶ状态信息的ｓｏｃｋｅｔ接 口就是一个客户端程序，下面分析他的程序。 程序首先打开一个ｓ ｏ ｃｋｅｔ并初始化： ｉｎｔ ＳＯＣｋｆｄｓ： ｓｔｒｕｃｔ ＳＯＣｋａｄｄｒｉｎ ｇｒｏｕｎｄ： ｓ＝ｓｏｃｋｅｔ（ＡＦｔＮＥＴ，ＳＯＣＫＤＧＲＡＭ，０）： ｂｚｅｒｏ（＆ｇｒｏｕｎｄ，ｓｉｚｅｏｆ（ｇｒｏｕｎｄ））： ｓｏｃｋｆｄｇｒｏｕｎｄ．ｓｉｎｆａｍｉ１Ｙ＝ＡＦＩＮＥＴ： ａｄｄｒ．ｓ ａｄｄｒ＝ｉｎｅｔ ａｄｄｒ（ １９２．１６８．１．１２ ）： ｇｒｏｕｎｄ．ｓ ｉｎｐｏｒｔ＝ｈｔｏｎｓ（２０ １０）： ｇｒｏｕｎｄ．ｓｉｎ之后就可以像读写普通的文件一样来读写那个ｓｏ ｃｋ ｅｔ了： ｓｅｎｄｔｏ（ｓｏｃｋｆｄ ｓ，＆ｓｔａｔｅ，ｓｉｚｅｏｆ（ｓｔａｔｅ），０，（ｓｔｒｕｃｔ Ｓ０Ｃｋａｄｄｒ ￥）＆ｇｒｏｕｎｄ， ｓｉ ｚｅｏｆ（ｇｒｏｕｎｄ））： 机站程序的大体框架就是这样。而相对应的在地面站（平台 ｗｉ ｎｄｏｗ ｓ）这边的ｓｏ ｃ ｋｅｔ就应当是服务器端，步骤如下： １、建立Ｓｏｃｋｅｔ 初始化ｗｉｎｓｏｃｋ的动态连接库后，需要在服务器端建立一个监听 的Ｓｏｃｋｅｔ，为此可以调用Ｓｏｃｋｅ函数来建立这个监听的Ｓｏｃｋｅｔ，并定 义此Ｓｏ ｃｋ ｅｔ所使用的通信协议。 ２、绑定端口 要为服务器端定义的这个监听的Ｓｏｃｋｅｔ指定一个地址及端口，这 样客户端才知道待会要连接哪一个地址的哪个端口，为此我们要调用 ｂ ｉ ｎ ｄ函数。 ／／利用ｒ ｓｏｃｋｅｔ的成员函数Ｃｒｅａｔｅ来建立ｓｏｃｋｅｔ ＣＧＲＯＵＮＤＳＴＡＴ Ｉ ＯＮＶ ｉ ｅｗ Ｉ．ＣＧＲＯＵＮＤＳＴＡＴ Ｉ ＯＮＶ ｉ ｅｗ ０ ｆ ｒ ｓｏｃｋｅｔ．Ｃｒｅａｔｅ（２０１０，ＳＯＣＫＤＧＲＡＭ，ＮＵＬＬ）： ） ／／利用ｒ ｓｏｃｋｅｔ的成员函数ＲｅｃｅｉｖｅＦｒｏｍ来接收客户端发来的 数据ｒｓｏｃｋｅｔ．Ｒｅｃｅｉ ｖｅＦｒｏｍ（＆ｐＤｏｃ～＞ｓｔａｔｅ，ｓｉ ｚｅｏｆ（ｐＤｏｃ一＞ ｓｔａｔｅ），ｓ—ｉＰ，ｕＰｏｒｔ，Ｏ）； 以上是当发现套接口有数据抵达时执行的代码。 上面大概的讲述了无人机整个网络系统的搭建以及实现。到目 前为止，系统运行良好。证明了上面设计思路的正确性。但是同 时也存在各种问题。包括硬件方面的不稳定，特别在好几次的飞行 试验中，出现过网络突然断开的情况，这必然要求我们进一步改善 整个系统的稳定性。还有就是随着传输数据量越来越大，这就得在 继续使用ｕＤＰ协议的基础上，软件改进数据包丢失的问题。或者使 用ＲＴＰ／ＲＴＣＰ实时传输协议以及实时传输控制协议来保证传输实时 性。这些都是以后需要改进的地方。 参考文献： ［１］ｗ．Ｒｉ ｃｈａｒｄ Ｓｔｅｖｅｒｎｓ《ｕＮＩｘ高级编程》人民邮电出版社． ２Ｏ０５． ［２］ｗ．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔｅｖｅｒｎｓ著施振川周利民孙宏晖译｛Ｕｎｉｘ 网络编程（第一卷）》清华大学出版社．２ ０ ０ ０． ［３］常锐裴海龙《无人直升机监控平台设计与实现》微计算机信 息．２００６年５月． ［４］肖宏伟《Ｖｉ ｓｕａｌ ｃ＋＋６．０实效编程百例》［Ｍ］人民邮电出 版社．２Ｏ０２． 料技博克Ｉ ３０５
