基于Android的UAV低空巡航航跡管理系統(tǒng)

馬書敏，李 娜

（山東科技大學 電子通信與物理學院，青島 266590）

無人飛行器UAV是一種由預編程序操縱的無線電遙控設備控制的無人駕駛的飛行器，由于其具有成本低、反應靈敏、受外界環(huán)境影響低、可操作性強等特點，因而被廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、智慧農業(yè)、礦產資源勘測等許多領域[1-3]。無人飛行器（無人機）主要包含飛行控制系統(tǒng)和地面管理系統(tǒng)。其中，管理系統(tǒng)不僅完成軌跡規(guī)劃、導航控制、準確地向無人機發(fā)送飛行指令和定位操作，還需要實時顯示無人機當前的位置和狀態(tài)信息[4-7]。

無人飛行器通過無線方式與地面站點通信，飛行高度較高、巡航距離遠的UAV通常采用專用通信方式[8-9]，而低空飛行、距離較近的UAV有的采用專用的通信方式，有的則利用移動通信的GPRS或3G，4G網絡[10-11]?？紤]成本和鏈路帶寬，在此利用地面WiFi網絡與UAV進行實時通信，通過由機載GPS得到的UAV位置信息實時更新地圖上的地理位置，在百度地圖上實現(xiàn)實時顯示UAV的當前位置，以便觀測UAV的飛行狀態(tài)。同時，為了便于后期查看無人機的飛行軌跡，方便數(shù)據重建、場景重現(xiàn)的驗證，將無人機的飛行軌跡信息即經緯度信息，通過WiFi網絡保存在數(shù)據庫SQLite中，通過調用SQLite數(shù)據庫函數(shù)，實現(xiàn)無人機軌跡的回放。

1 地面管理系統(tǒng)總體設計

無人機低空巡航系統(tǒng)結構如圖1所示。無人飛行器的航跡為預設航跡 （或人工遙控），通過地面WLAN站點接入局域網，地面控制系統(tǒng)通過WLAN獲取來自UAV的視頻、圖像及位置信息，并上傳控制信息到無人飛行器。飛行器的地面管理系統(tǒng)目的是與機上系統(tǒng)建立聯(lián)系，控制飛行器的飛行走向，并及時地返回飛行數(shù)據。

圖1 UAV巡航系統(tǒng)結構Fig.1 UAV cruise system architecture

地面管理系統(tǒng)的設計框架如圖2所示。整個地面管理系統(tǒng)無人機分為無線通信模塊、數(shù)據采集模塊、圖像和視頻傳輸模塊、電子地圖模塊、數(shù)據存儲模塊5大部分。

圖2 地面管理系統(tǒng)的系統(tǒng)框架Fig.2 System framework of ground management system

2 航跡管理子系統(tǒng)

作為巡航無人機地面管理系統(tǒng)的重要組成部分，航跡管理子系統(tǒng)主要完成軌跡規(guī)劃、航跡顯示、場景重現(xiàn)等。航跡顯示由地面管理系統(tǒng)的航跡顯示系統(tǒng)部分完成。其中，機載控制系統(tǒng)通過數(shù)據鏈路通信模塊（WiFi模塊）與移動控制終端系統(tǒng)直接連接或通過WiFi網絡AP進行連接，通過數(shù)據鏈路，將自身的信息或者攝像機已經拍攝或攜帶的圖像、影像、位置、時間等信息在客戶端展示。

當移動終端與無人機通過WiFi建立連接之后，無人機將GPS模塊接收到的無人機的位置信息（即無人機的經緯度信息）提取出來，經過無線通信模塊傳輸?shù)揭苿咏K端，衛(wèi)星利用導航數(shù)據進行定位，在電子地圖上準確顯示，并記錄航跡。由此可將航跡管理子系統(tǒng)分為無線通信模塊、數(shù)據存儲模塊、電子地圖模塊3部分，其具體設計如圖3所示。

圖3 航跡管理子系統(tǒng)Fig.3 Track management subsystem

3 航跡顯示與存儲

航跡的顯示使用了Android移動終端調用百度地圖。首先搭建Android開發(fā)平臺，下載安裝JDK，Eclipse，ADT及Android SDK，并對其中的開發(fā)包進行配置，根據百度地圖API所提供的開發(fā)實例，配置開發(fā)百度地圖所需的環(huán)境與權限，管理地圖生命周期，最終成功完成調用百度地圖顯示航跡的功能。

數(shù)據回放模塊用于后期查看或者離線條件下觀察無人機的運行軌跡，重現(xiàn)無人機的飛行過程。無人機航跡回放需要在數(shù)據庫中讀取數(shù)據，利用SQLite建立小型數(shù)據庫，完成數(shù)據查詢的工作。航跡回放時要首先選定回放的時間，然后調用函數(shù)開始在數(shù)據庫中進行查詢。

4 系統(tǒng)測試

測試地點選在山東科技大學校園若水園南側的道路和草坪，測試現(xiàn)場如圖4所示。

UAV采用六旋翼無人機，其微控制系統(tǒng)模塊主控芯片選用STM32F407VG系列單片機，飛行姿態(tài)檢測模塊采用MPU6050芯片。為更好地檢驗航跡實時顯示性能，共進行了3次測試，前2次采用人工遙控飛行的方式，最后1次采用預設航跡方式。圖5為無人機實時回傳視頻的截圖。

圖4 測試現(xiàn)場Fig.4 Test site

圖 5 無人機回傳的視頻截圖Fig.5 UAV return video capture

無線數(shù)據傳輸選用NRF 24L01通信芯片，GPS模塊采用瑞士UBLOX公司的UBLOX-6M模塊，其位置信息與飛行控制信息顯示如圖6所示。

圖6 信息顯示Fig.6 Information display

圖7為第2次測試實時飛行航跡在百度地圖上的顯示。無人機軌跡回放的結果與圖7相同。

5 結語

設計了基于Android智能移動終端的無人飛行器航機管理系統(tǒng)，在WiFi網絡和Socket通信協(xié)議下，對無人機進行位置追蹤，在百度地圖上實現(xiàn)航跡顯示與回放，實時并準確地顯示無人機位置，并利用SQLite數(shù)據庫對無人機的飛行數(shù)據進行存儲，在需要的時候進行軌跡的回放。該軟件已在Android智能移動終端上進行了安裝測試，使用結果表明：該軟件能夠實時、準確地顯示無人機的航跡；由于采用Java語言編寫，因此軟件具有很好的通用性和擴展性，可用于不同的無人機。

圖7 電子地圖軌跡顯示Fig.7 Trajectory display of electronic map

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