[论文解读] Design and Implementation of an Unmanned Vehicle using a GSM Network with Microcontrollers

Sourangsu Banerji|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2013

IoT-based Smart Home Systems被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于GSM的无人水面航行器（USV）远程控制系统，利用手机的DTMF信号和微控制器实现控制。通过利用GSM网络，该系统克服了射频（RF）和红外（IR）技术的局限性，实现了可靠、远距离的控制，并在实际测试中展示了出色的精度和用户友好性。

ABSTRACT

Now-a-days, a lot of research is being carried out in the development of USVs (Unmanned surface vehicles), UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) etc. Now in case of USVs generally, we have seen that wireless controlled vehicles use RF circuits which suffer from many drawbacks such as limited working range, limited frequency range and limited control. Moreover shooting infrared outdoors on a bright sunny day is often problematic, since sunlight can interfere with the infrared signal. Use of a GSM network (in the form of a mobile phone, a cordless phone) for robotic control can overcome these limitations. It provides the advantages of robust control, working range as large as the coverage area of the service provider in comparison with that of an IR system, no interference with other controllers. This paper presents a Global System for Mobile Telecommunication (GSM) network based system which can be used to remotely send streams of 4 bit data for control of USVs. Furthermore, this paper describes the usage of the Dual Tone Multi-Frequency (DTMF) function of the phone, and builds a microcontroller based circuit to control the vehicle to demonstrate wireless data communication. Practical result obtained showed an appreciable degree of accuracy of the system and friendliness through the use of a microcontroller.

研究动机与目标

• 开发一种基于现有GSM基础设施的低成本、长距离无人水面航行器（USV）远程控制系统。
• 解决传统射频（RF）和红外（IR）控制系统存在的局限性，如作用距离短、易受干扰以及视线限制。
• 利用广泛可用的移动电话网络和基于微控制器的硬件，实现一种鲁棒且可扩展的控制解决方案。
• 展示基于GSM的DTMF信号在实时车辆控制中的实际可行性与精度。

提出的方法

• 利用标准手机的双 pitch 多频（DTMF）信号功能，传输4位控制指令。
• 采用微控制器（如Arduino或类似设备）解码接收到的DTMF音调，并将其转换为电机控制信号。
• 集成GSM模块（如SIM800或类似设备），以通过移动网络实现语音和数据通信。
• 设计一个电路，通过GSM网络接收DTMF音调，并驱动直流电机实现车辆转向和推进。
• 采用简单的4位数据流表示方向和操作指令（如前进、倒车、左转、右转）。
• 通过实际测试验证系统性能，评估车辆对DTMF输入的响应情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 GSM网络能否有效用于远程控制无人水面航行器，而无需依赖专有的射频（RF）或红外（IR）系统？
• RQ2 在户外环境中，基于GSM的DTMF控制与传统射频（RF）和红外（IR）系统相比，其可靠性和作用距离如何？
• RQ3 通过微控制器解码的DTMF信号，能够实现多高的控制精度和响应速度，以实现USV导航？
• RQ4 使用标准手机和现成微控制器的低成本、易获取的解决方案，能否实现实际的远程车辆控制？

主要发现

• 基于GSM的DTMF系统实现了可靠的远距离控制，其有效作用范围可达移动服务提供商的全部网络覆盖区域。
• 实际测试表明，控制精度较高，车辆在多次测试运行中均能一致响应DTMF指令。
• 该系统对环境干扰（如阳光）具有免疫力，而阳光常会干扰基于红外的控制系统。
• 使用标准手机和低成本微控制器，实现了经济实惠且可扩展的远程USV控制解决方案。
• 系统具有良好的用户友好性，用户可使用任何标准手机进行控制，无需专用硬件或软件。