基于Android的UAV低空巡航航迹管理系统

马书敏，李 娜

（山东科技大学 电子通信与物理学院，青岛 266590）

无人飞行器UAV是一种由预编程序操纵的无线电遥控设备控制的无人驾驶的飞行器，由于其具有成本低、反应灵敏、受外界环境影响低、可操作性强等特点，因而被广泛应用于军事、环境监测、智慧农业、矿产资源勘测等许多领域[1-3]。无人飞行器（无人机）主要包含飞行控制系统和地面管理系统。其中，管理系统不仅完成轨迹规划、导航控制、准确地向无人机发送飞行指令和定位操作，还需要实时显示无人机当前的位置和状态信息[4-7]。

无人飞行器通过无线方式与地面站点通信，飞行高度较高、巡航距离远的UAV通常采用专用通信方式[8-9]，而低空飞行、距离较近的UAV有的采用专用的通信方式，有的则利用移动通信的GPRS或3G，4G网络[10-11]。考虑成本和链路带宽，在此利用地面WiFi网络与UAV进行实时通信，通过由机载GPS得到的UAV位置信息实时更新地图上的地理位置，在百度地图上实现实时显示UAV的当前位置，以便观测UAV的飞行状态。同时，为了便于后期查看无人机的飞行轨迹，方便数据重建、场景重现的验证，将无人机的飞行轨迹信息即经纬度信息，通过WiFi网络保存在数据库SQLite中，通过调用SQLite数据库函数，实现无人机轨迹的回放。

1 地面管理系统总体设计

无人机低空巡航系统结构如图1所示。无人飞行器的航迹为预设航迹 （或人工遥控），通过地面WLAN站点接入局域网，地面控制系统通过WLAN获取来自UAV的视频、图像及位置信息，并上传控制信息到无人飞行器。飞行器的地面管理系统目的是与机上系统建立联系，控制飞行器的飞行走向，并及时地返回飞行数据。

图1 UAV巡航系统结构Fig.1 UAV cruise system architecture

地面管理系统的设计框架如图2所示。整个地面管理系统无人机分为无线通信模块、数据采集模块、图像和视频传输模块、电子地图模块、数据存储模块5大部分。

图2 地面管理系统的系统框架Fig.2 System framework of ground management system

2 航迹管理子系统

作为巡航无人机地面管理系统的重要组成部分，航迹管理子系统主要完成轨迹规划、航迹显示、场景重现等。航迹显示由地面管理系统的航迹显示系统部分完成。其中，机载控制系统通过数据链路通信模块（WiFi模块）与移动控制终端系统直接连接或通过WiFi网络AP进行连接，通过数据链路，将自身的信息或者摄像机已经拍摄或携带的图像、影像、位置、时间等信息在客户端展示。

当移动终端与无人机通过WiFi建立连接之后，无人机将GPS模块接收到的无人机的位置信息（即无人机的经纬度信息）提取出来，经过无线通信模块传输到移动终端，卫星利用导航数据进行定位，在电子地图上准确显示，并记录航迹。由此可将航迹管理子系统分为无线通信模块、数据存储模块、电子地图模块3部分，其具体设计如图3所示。

图3 航迹管理子系统Fig.3 Track management subsystem

3 航迹显示与存储

航迹的显示使用了Android移动终端调用百度地图。首先搭建Android开发平台，下载安装JDK，Eclipse，ADT及Android SDK，并对其中的开发包进行配置，根据百度地图API所提供的开发实例，配置开发百度地图所需的环境与权限，管理地图生命周期，最终成功完成调用百度地图显示航迹的功能。

数据回放模块用于后期查看或者离线条件下观察无人机的运行轨迹，重现无人机的飞行过程。无人机航迹回放需要在数据库中读取数据，利用SQLite建立小型数据库，完成数据查询的工作。航迹回放时要首先选定回放的时间，然后调用函数开始在数据库中进行查询。

4 系统测试

测试地点选在山东科技大学校园若水园南侧的道路和草坪，测试现场如图4所示。

UAV采用六旋翼无人机，其微控制系统模块主控芯片选用STM32F407VG系列单片机，飞行姿态检测模块采用MPU6050芯片。为更好地检验航迹实时显示性能，共进行了3次测试，前2次采用人工遥控飞行的方式，最后1次采用预设航迹方式。图5为无人机实时回传视频的截图。

图4 测试现场Fig.4 Test site

图 5 无人机回传的视频截图Fig.5 UAV return video capture

无线数据传输选用NRF 24L01通信芯片，GPS模块采用瑞士UBLOX公司的UBLOX-6M模块，其位置信息与飞行控制信息显示如图6所示。

图6 信息显示Fig.6 Information display

图7为第2次测试实时飞行航迹在百度地图上的显示。无人机轨迹回放的结果与图7相同。

5 结语

设计了基于Android智能移动终端的无人飞行器航机管理系统，在WiFi网络和Socket通信协议下，对无人机进行位置追踪，在百度地图上实现航迹显示与回放，实时并准确地显示无人机位置，并利用SQLite数据库对无人机的飞行数据进行存储，在需要的时候进行轨迹的回放。该软件已在Android智能移动终端上进行了安装测试，使用结果表明：该软件能够实时、准确地显示无人机的航迹；由于采用Java语言编写，因此软件具有很好的通用性和扩展性，可用于不同的无人机。

图7 电子地图轨迹显示Fig.7 Trajectory display of electronic map

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