[+]文章目录

与四轴无人机的通讯

AR Drone 无人机是一台小型的 Linux,当我们加入它提供的 WiFi 热点的时候,我们就可以通过 192.168.1.1 来访问无人机。

用户数据报协议(UDP)

无人机的通讯采用了 UDP 协议,UDP 是至今沿用并占有主导地位的传输层协议之一,而另一个是 TCP 协议。

我们暂且先聊聊 TCP 协议,或者我们称之为传输控制协议,基于它操作和使用起来极其方便,现在几乎所有的网络连接都是通过 TCP 来完成。 使用 TCP 协议的 API 非常直截了当,当你需要从一个设备传输数据到另一个硬件设备的时候,TCP 可以被所有硬件设备支持。使用 TCP 有多简单?一旦建立连接,你把数据写入 socket,另一台设备将从 socket 读取数据,TCP 会确保数据正确的写入并且传输给另一个设备。 许多复杂的细节隐匿其中。TCP 是基于 IP 层之上的,所有低级 IP 数据都不能按照其发送的顺序到达,事实上,甚至有可能永远都等不到它。但是 TCP 隐藏了这个玄机,它在 Unix 管道上建模,TCP 同时也管理着吞吐量;它不断的适应并达到最大的带宽利用率。它似乎确实有着神奇的魔力可以变出三册总页数超过2556页的书来阐述它的魅力。 TCP/IP Illustrated: The ProtocolsThe Implementation, TCP for Transactions

UDP,是传输层的另一个重要组成部分,也是一个相对简单的协议,但是使用 UDP 对开发者来说很痛苦,当你通过 UDP 发送数据的时候,无法得知数据是否成功被接收,也不知道数据到达的顺序,同样得不到(在不被带宽变化影响而丢失数据的情况下)我们发送数据可达的最大速度。

就是说,UDP 是一个非常简单的模型:UDP 允许你在设备之间发送所谓的数据包。这些数据包 (分组) 在另一端以同样格式的数据包被接收(除非他们已经在路上消失了)。

为了使用 UDP,一个应用需要使用数据报 socket,它在通讯两端绑定了一个 IP 地址和服务端口,并且因此建立了一个主机到主机的通讯,发送数据给一个指定的 socket 可以从匹配的另一端 socket 接收。

注意,UDP 是一个无连接协议,这里不需要设置连接,socket 对从哪里发送数据和数据何时到达进行简单的跟踪,当然,建立在数据能够被 socket 捕捉的基础上。

UDP 以及 AR DRONE

AR Drone 的接口建立在三个 UDP 端口上, 通过上面的讨论我们知道 UDP 是一个还有待讨论的设计方案,但是 Parrot 选择了去实现它。

无人机的 IP 地址是 192.168.1.1, 并且这里有三个端口我们可以用来连接 UDP

导航控制数据端口 = 5554

机载视频端口 = 5555

AT 指令端口 = 5556

我们需要利用 AT 指令集端口来发送命令到无人机,用导航数据端口来接收无人机返回的数据。其工作原理完全不同,因此只能分开讨论两者,即便如此,它们都依赖于 UDP socket 的。我们来看看这是如何实现的。

UDP API

首先非常奇怪的是,Apple 没有为 UDP 的运行提供 Objective-C helper 封装。毕竟,这个协议甚至可以追溯到 1980 年,主因是几乎没有使用 UDP 的应用,如果我们使用 UDP,至少访问 UDP 的 Unix C API 将成为我们担忧的一部分。因此大多数情况下我们会使用 TCP,而且对其来说,有很多 API 可供选择。 C 语言的 API 我们使用了高级研究计划署(发明互联网的地方)定义在 sys/socket.h,netinet/in.h,arpa/inet.h 的方法。

创建 UDP socket

首先,用下面的语句来创建 socket

int nativeSocket = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

PF_INET 是 socket 的域名,在这个例子中是互联网,SOCK_DGRAM 定义了数据报的格式(相对于流式套接字)。最后,IPPROTO_UDP 定义了传输协议 UDP。socket 的工作方式类似于调用 open(2) 方法

接下来,我们创建了一个结构体,包括我们的地址和无人机的地址,结构体中的 sockaddr_in 是套接字的地址,我们使用 sin_me 来定义自己的地址,以及 sin_other 来定义另一端的地址

struct sockaddr_in sin_me = {};
sin_me.sin_len = (__uint8_t) sizeof(sin);
sin_me.sin_family = AF_INET;
sin_me.sin_port = htons(0);
sin_me.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

struct sockaddr_in sin_other = {};
sin_other.sin_len = (__uint8_t) sizeof(sin_other);
sin_other.sin_family = AF_INET;
sin_other.sin_port = htons(self.port);
int r = inet_aton([self.address UTF8String], &sin_other.sin_addr)

用 ={} 来初始化结构体总体来说是一个最佳实践,可以不用考虑你使用什么结构,因为它确保一切开始时为零的。否则这些值无论在堆栈上的任何情况下都将是不确定的,我们会很容易碰到奇怪而又少见的 bug。

接下来,我们要给 sockaddr_in 赋值,并且指定 sin_len 来让其可用,这样允许多个地址,sin_family 就是地址类型的一种。有一种一长串的地址协议簇,当我们通过 internet 连接时候,总是用 IPv4 的 AF_INET 或者IPv6 的 AF_INET6,然后我们设置端口和 IP 地址。

在我们这边,我们指定端口为 0,并且地址是 INADDR_ANY,0 端口意思是一个随机的端口将会分配给我们的设备。 INADDR_ANY 则可以导入传送路由数据包到另一端的地址(无人机)。

无人机的地址指定为 inet_aton(3), 它将转换 C 字符串 192.168.1.1 成相应的四字节 0xc0, 0xa2, 0x1, 0x1 - 作为无人机的IP地址。注意我们我们对地址和端口号调用了 htons(3) 和 htonl(3)。htons 是 host-to-network-short 的缩写,htonl 是 host-to-network-long 的缩写。 大多数数据网络 (包括 IP) 是字节序是使用大端序 (big-endian)。为了确保数据按照正确的字节序发送我们需要调用这两个功能。

现在我们绑定 socket 到我们的 socket 地址。

int r2 = bind(nativeSocket, (struct sockaddr *) &sin_me, sizeof(sin_me));

最后,我们通过下面的 socket 连到另一端 socket 地址:

int r3 = connect(nativeSocket, (struct sockaddr *) &sin_other, sizeof(sin_other));

最后一步是可选的,在每次发送数据包的时候我们也可以指定目的地址。

在我们示例代码中,这是在 -[DatagramSocket configureIPv4WithError:] 方法中实现的,这个方法同时还进行了一些错误处理的操作。

发送数据

当我们有一个可用的 socket 时,发送数据就很简单了。比如我们要发送一个叫做 data 的 NSData 对象时,我们需要调用:

ssize_t const result = sendto(nativeSocket, [data bytes], data.length, 0, NULL, 0);
if (result < 0) {
    NSLog(@"sendto() failed: %s (%d)", strerror(errno), errno);
} else if (result != data.length) {
    NSLog(@"sendto() failed to send all bytes. Sent %ld of %lu bytes.", result, (unsigned long) data.length);
}

注意,UDP 从设计的上就是不可靠的,一旦调用 sendto(2),接下来网上数据传输过程就不是我们可以控制的了。

接收数据

接收数据的核心非常简单,这个方法叫做 recvfrom(2), 包括两个参数,第一个是 sin_other 指定了我们希望接受的数据的发送方,第二个参数是指向一个缓冲区的指针,的数据将被写入其中。如果成功,这个方法返回读取的字节数:

NSMutableData *data  = [NSMutableData dataWithLength:65535];
ssize_t count = recvfrom(nativeSocket, [data mutableBytes], [data length], 0, (struct sockaddr *) &sin_other, &length);
if (count < 0) {
    NSLog(@"recvfrom() failed: %s (%d)", strerror(errno), errno);
    data = nil;
} else {
    data.length = count;
}

一个值得注意的事情, recvfrom(2) 是一个阻塞方法,线程一旦调用这个方法,则会等待直到数据全部读完。正常情况下这都不是我们想要的。运用 GCD,我们可以设置一个事件源,每当 socket 有要读取的数据它都能进行初始化。对于读取来自 socket 的数据来说这是一个推荐的做法。

在我们的例子中,DatagramSocket 类运用了这个方法来设置事件源:

- (void)createReadSource
{
    self.readEventSource = dispatch_source_create(DISPATCH_SOURCE_TYPE_READ, self.nativeSocket, 0, self.readEventQueue);
    __weak DatagramSocket *weakSelf = self;
    dispatch_source_set_event_handler(self.readEventSource, ^{
        [weakSelf socketHasBytesAvailable];
    });
    dispatch_resume(self.readEventSource);
}

数据源开始时处于暂停状态,这就是为什么我们必须使用 dispatch_resume(3)。 否则,将不会有事件传到数据源,-socketHasBytesAvailable 之后会对 recvfrom(2) 进行调用。

默认值

为了避免一个小问题,我们要重写 nativeSocket 的属性方法。

@property (nonatomic) int nativeSocket;

这样来实现

@synthesize nativeSocket = _nativeSocket;
- (void)setNativeSocket:(int)nativeSocket;
{
    _nativeSocket = nativeSocket + 1;
}

- (int)nativeSocket
{
    return _nativeSocket - 1;
}

我们从内部的实例变量里减 1,首先因为 Objective-C 运行时保证在调用 -alloc 后所有实例变量初始值 0。其次,socket 只要为非负就被认为是有效的,比如大于 0 的均为有效的 socket 数字。

通过这样的偏移,即使 -init 没有被调用,我们仍然可以安全地检查 socket 值是否已经被设定。

整合在一起

DatagramSocket 类 中我们封装了所有低级的 UDP socket 的工作。DroneCommunicator 类用来和无人机的导航数据端口 5554AT 指令集端口 5556 的通讯,就像这样:

NSError *error = nil;
self.commandSocket = [DatagramSocket ipv4socketWithAddress:DroneAddress
                                                      port:ATCommandPort
                                           receiveDelegate:self
                                              receiveQueue:[NSOperationQueue mainQueue]
                                                     error:&error];

self.navigationDataSocket = [DatagramSocket ipv4socketWithAddress:DroneAddress
                                                             port:NavigationDataPort
                                                  receiveDelegate:self
                                                     receiveQueue:[NSOperationQueue mainQueue]
                                                            error:&error];

委托方法基于 socket 实现

- (void)datagramSocket:(DatagramSocket *)datagramSocket didReceiveData:(NSData *)data;
{
    if (datagramSocket == self.navigationDataSocket) {
        [self didReceiveNavigationData:data];
    } else if (datagramSocket == self.commandSocket) {
        [self didReceiveCommandResponseData:data];
    }
}

在我们的示例 app 里需要处理的只有导航数据,它被 DroneNavigationState 处理:

- (void)didReceiveNavigationData:(NSData *)data;
{
    DroneNavigationState *state = [DroneNavigationState stateFromNavigationData:data];
    if (state != nil) {
        self.navigationState = state;
    }
}

发送命令

当 UDP socket 创建并运行后,发送的命令相对来说很很直接了。所谓的命令端口接受可以纯 ASCII 命令, 看起来就像这样:

AT*CONFIG=1,"general:navdata_demo","FALSE"
AT*CONFIG=2,"control:altitude_max","1600"
AT*CONFIG=3,"control:flying_mode","1000"
AT*COMWDG=4
AT*FTRIM=5

AR Drone SDK 包含了一个叫做 ARDrone Developer Guide 的 PDF 文档,里面详细介绍了所有的AT指令集。

我们在 DroneCommunicator 类中创造了一系列 helper 方法,使上述可以被发送:

[self setConfigurationKey:@"general:navdata_demo" toString:@"FALSE"];
[self setConfigurationKey:@"control:altitude_max" toString:@"1600"];
[self setConfigurationKey:@"control:flying_mode" toString:@"1000"];
[self sendCommand:@"COMWDG" arguments:nil];
[self sendCommand:@"FTRIM" arguments:nil];

所有的无人机指令以 AT* 开头,跟着加上指令名以及 =,然后是被逗号隔开的参数,第一个参数是命令的序列号。

为了方便使用,这里我们创建了一个叫做 -sendCommand:arguments: 的方法,它会在索引的开始 (index 0) 的地方插入命令序列号

- (int)sendCommand:(NSString *)command arguments:(NSArray *)arguments;
{
    NSMutableArray *args2 = [NSMutableArray arrayWithArray:arguments];
    self.commandSequence++;
    NSString *seq = [NSString stringWithFormat:@"%d", self.commandSequence];
    [args2 insertObject:seq atIndex:0];
    [self sendCommandWithoutSequenceNumber:command arguments:args2];
    return self.commandSequence;
}

这里调用了 -sendCommandWithoutSequenceNumber:arguments:,这个方法加上了 AT* 前缀并且将命令和参数串接起来:

- (void)sendCommandWithoutSequenceNumber:(NSString *)command arguments:(NSArray *)arguments;
{
    NSMutableString *atString = [NSMutableString stringWithString:@"AT*"];
    [atString appendString:command];
    NSArray* processedArgs = [arguments valueForKey:@"description"];
    if (0 < arguments.count) {
        [atString appendString:@"="];
        [atString appendString:[processedArgs componentsJoinedByString:@","]];
    }
    [atString appendString:@"\r"];
    [self sendString:atString];
}

最后,将完成的字符串转换为 NSData 并且传给 socket:

- (void)sendString:(NSString*)string
{
    NSData *data = [string dataUsingEncoding:NSASCIIStringEncoding];
    if (data != nil) {
        [self.commandSocket asynchronouslySendData:data];
    } else {
        NSLog(@"Unable to convert string to ASCII: %@", string);
    }
}

浮点字符串编码

因为一些奇怪的原因,设计无人机协议的人规定了浮点值应当作为具有相同位模式的整数来发送。这确实蛮奇怪的,但我们只能遵守协议。

比如说我们需要让无人机的前进的相对速度是 0.5,浮点数 0.5 在二进制看起来是:

0011 1111 0000 0000 0000 0000 0000 0000

我们在 32 位整形中重新解释这个数的话,它是 1056964608,所以我们发送到无人机的命令是:

AT*PCMD=6,1,0,1056964608,0,0 

在我们的例子中,我们用一个 NSNumber 的封装来完成,这个代码最终看起来像:

NSNumber *number = (id) self.flightState[i];
union {
    float f;
    int i;
} u;
u.f = number.floatValue;
[result addObject:@(u.i)];

这里的技巧是使用 union - C 语言的一个鲜为人知的部分。union 允许多个不同的类型(在这种情况下,是整数和浮点型)驻留在同一存储区域。然后,我们将浮点值存储到 u.f 并从 u.i 读取整数值。

注意:使用像 int i = *((int *) &f) 这样的代码是不合法的,这不是正确的 C 代码,并且会导致未定义的行为。生成的代码有时会工作,但有时候不会。所以不要做无谓的尝试。你可以通过多阅读 llvm 博客Violating Type Rules 下的文章来了解更多。悲剧的是 AR Drone Developer Guide 就是把这里弄错了。


« 前一篇