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导航应用

在这篇文章中,我们将把前面提到过的内容组织起来构成我们的导航器应用,这个 iPhone 应用将装载在我们的的无人机上,你可以在 Github 下载应用的源码,尽管这个应用是计划在没有直接的交互操作下来使用的,但在测试过程中我们做了一个简单的 UI 界面来显示其无人机状态并方便我们手动操作。

概要

在我们的应用中,我们有几个类它们分别是:

  • DroneCommunicator 这个类关注于利用 UDP 和无人机通讯。这个话题全部在 Daniel 的文章中详细介绍过

  • RemoteClient 使用 Multipeer Connectivity 技术和我们的远程客户端进行交互,具体客户端的操作,请看 Florian 的文章
  • Navigator 用来设定目标位置,计算飞行航线,以及飞行距离。
  • DroneController 用来把从 Navigator 获取的导航的距离和方向发送命令到DroneCommunicator。
  • ViewController 有一个简单的界面,用来初始化其他的类并把它们连接起来,这部分应该用不同的类来完成,但是在我们的设想中,我们的app足够简单所以放到一个类就可以了。

View Controller

View Controller 中最重要的一个部分是初始化方法,在这里我们创建了 DroneCommunicator, Navigator, DroneController 以及RemoteClient 的实例化对象,换句话说:我们建立了无人机和我们的客户端应用沟通的整个桥梁。

- (void)setup
{
    self.communicator = [[DroneCommunicator alloc] init];
    [self.communicator setupDefaults];

    self.navigator = [[Navigator alloc] init];
    self.droneController = [[DroneController alloc] initWithCommunicator:self.communicator navigator:self.navigator];
    self.droneController.delegate = self;
    self.remoteClient = [[RemoteClient alloc] init];
    [self.remoteClient startBrowsing];
    self.remoteClient.delegate = self;
}

View Controller 同时是 RemoteClient 的委托。 这就说明无论我们的客户端发送了一个新位置或者着陆,重置以及关机的命令,我们都需要在这里处理它。举个例子,当我们收到一个新的位置的命令的时候,我们这样来做:

- (void)remoteClient:(RemoteClient *)client didReceiveTargetLocation:(CLLocation *)location
    {
        self.droneController.droneActivity = DroneActivityFlyToTarget;
        self.navigator.targetLocation = location;
    }

这段代码是用来确保无人机开始飞行(而不是徘徊)并且更新目标位置。

Navigator

导航类用来指定目标位置,并且计算从当前位置到目标位置的距离,为了完成整个工作我们首先需要监听 core location 的改变:

- (void)startCoreLocation
{
    self.locationManager = [[CLLocationManager alloc] init];
    self.locationManager.delegate = self;

    self.locationManager.distanceFilter = kCLDistanceFilterNone;
    self.locationManager.desiredAccuracy = kCLLocationAccuracyBestForNavigation;
    [self.locationManager startUpdatingLocation];
    [self.locationManager startUpdatingHeading];
}

在我们的导航类中,我们有两种方向,绝对和相对方向,绝对方向是两个地点之间的方向。比如说,阿姆斯特丹和柏林间的绝对方向几乎处于同一纬度,相对位置则是我们在参考指南针后可以得出的路线方向,要从阿姆斯特丹一直向东到柏林,两地之间的相对方向为零。在操作无人机的时候我们就需要使用相对方向。方向值为零,飞机直行;方向角度小于零,飞机向右倾斜转弯;方向角度大于零,飞机则向左倾斜转弯。

计算到目的地的绝对方向,我们需要创建一个基于 CLLocation 的Helper方法用来计算两个点的方向:

- (OBJDirection *)directionToLocation:(CLLocation *)otherLocation;
{
    return [[OBJDirection alloc] initWithFromLocation:self toLocation:otherLocation];
}

由于我们的无人机只能飞很小的距离(电池只能支持10分钟),所以我们需要一个几何的假设,我们是在一个平面而不是在地球表面:

- (double)heading;
{
    double y = self.toLocation.coordinate.longitude - self.fromLocation.coordinate.longitude;
    double x = self.toLocation.coordinate.latitude - self.fromLocation.coordinate.latitude;

    double degree = radiansToDegrees(atan2(y, x));
    return fmod(degree + 360., 360.);
}

在导航器中,我们将得到位置和航向的回调,然后我们把这两个值存到属性中,比如,计算我们需要飞行的两点之间的距离,我们需要将绝对航向减去当前航向(这与你看到指南针上的值是一样的意思),然后将结果换算到 -180 度和 180 度之间。如果你希望知道为什么我们要减去 90 度,那是因为我们 iPhone 和无人机之间有 90 度的夹角。

- (CLLocationDirection)directionDifferenceToTarget;
{
    CLLocationDirection result = (self.direction.heading - self.lastKnownSelfHeading.trueHeading - 90);
    // Make sure the result is in the range -180 -> 180
    result = fmod(result + 180. + 360., 360.) - 180.;
    return result;
}

这就是我们导航做的事情。基于当前的位置和航向,计算出到目标的距离和无人机应当飞行的方向。并且监听这两个属性。

Drone Controller

Drone controller 用来初始化 navigator 和 communicator,并且发送距离和方向的命令到无人机,因为命令需要持续发送,所以我们创建一个计时器:

self.updateTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:0.25
                                                    target:self
                                                  selector:@selector(updateTimerFired:)
                                                  userInfo:nil
                                                   repeats:YES];

当计时器触发后,假设我们飞向一个目标,我们需要发送给无人机适当的指令,如果我们足够近,无人机盘旋,否则,我们转向目标,在大致方向正确的情况下飞过去!

- (void)updateDroneCommands;
{
    if (self.navigator.distanceToTarget < 1) {
        self.droneActivity = DroneActivityHover;
    } else {
        static double const rotationSpeedScale = 0.01;
        self.communicator.rotationSpeed = self.navigator.directionDifferenceToTarget * rotationSpeedScale;
        BOOL roughlyInRightDirection = fabs(self.navigator.directionDifferenceToTarget) < 45.;
        self.communicator.forwardSpeed = roughlyInRightDirection ? 0.2 : 0;
    }
}

Remote Client

Remote Client 类关注于和我们的客户端通讯,我们利用了一个很方便 Multipeer Connectivity 框架。首先,我们需要和附近的创建一个会话以及 MCNearbyServiceBrowser :

- (void)startBrowsing
{
    MCPeerID* peerId = [[MCPeerID alloc] initWithDisplayName:@"Drone"];

    self.browser = [[MCNearbyServiceBrowser alloc] initWithPeer:peerId serviceType:@"loc-broadcaster"];
    self.browser.delegate = self;
    [self.browser startBrowsingForPeers];

    self.session = [[MCSession alloc] initWithPeer:peerId];
    self.session.delegate = self;
}

在我们的项目中,我们不需要处理单独设备的安全问题,因为我们总是邀请所有的对等网络的设备。

- (void)browser:(MCNearbyServiceBrowser *)browser foundPeer:(MCPeerID *)peerID withDiscoveryInfo:(NSDictionary *)info
{
    [browser invitePeer:peerID toSession:self.session withContext:nil timeout:0];
}

我们需要加入 MCNearbyServiceBrowserDelegate 和 MCSessionDelegate 全部的协议方法,否则这个应用将会崩溃。唯一一个方法我们需要实现的是 session:didReceiveData:fromPeer: 。我们解析对等客户端发送来的命令并且调用合适的委托方法,在我们简易的应用中,View Controller 实现了这些委托,当我们接收到了新的位置我们更新导航,并且让无人机飞向新的位置。

总结

这篇文章描述了这个简易的 app ,最初我们把所有的委托和代码都加入到了 View Controller 中,这是被证明最简单的编码和测试方式,其实写代码是一个容易的事情,但是阅读代码非常困难。因此我们需要重构所有的代码让其合理的分配到不同类中。

硬件方面的工作,测试非常的耗时,比如,在我们的 quadcopter 项目中,需要一段时间来启动设备,发送命令,并让它飞起来。因此我们尽可能多在离线状况下测试。我们还添加了大量的的日志语句,这样我们调试起来更加方便。


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