馬書敏，李 娜

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，青島 266590）

無人飛行器UAV是一種由預(yù)編程序操縱的無線電遙控設(shè)備控制的無人駕駛的飛行器，由于其具有成本低、反應(yīng)靈敏、受外界環(huán)境影響低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)資源勘測(cè)等許多領(lǐng)域[1-3]。無人飛行器（無人機(jī)）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(dǎo)航控制、準(zhǔn)確地向無人機(jī)發(fā)送飛行指令和定位操作，還需要實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)當(dāng)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(diǎn)通信，飛行高度較高、巡航距離遠(yuǎn)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(dòng)通信的GPRS或3G，4G網(wǎng)絡(luò)[10-11]。考慮成本和鏈路帶寬，在此利用地面WiFi網(wǎng)絡(luò)與UAV進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通過由機(jī)載GPS得到的UAV位置信息實(shí)時(shí)更新地圖上的地理位置，在百度地圖上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示UAV的當(dāng)前位置，以便觀測(cè)UAV的飛行狀態(tài)。同時(shí)，為了便于后期查看無人機(jī)的飛行軌跡，方便數(shù)據(jù)重建、場(chǎng)景重現(xiàn)的驗(yàn)證，將無人機(jī)的飛行軌跡信息即經(jīng)緯度信息，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)保存在數(shù)據(jù)庫SQLite中，通過調(diào)用SQLite數(shù)據(jù)庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)軌跡的回放。

1 地面管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無人機(jī)低空巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無人飛行器的航跡為預(yù)設(shè)航跡 （或人工遙控），通過地面WLAN站點(diǎn)接入局域網(wǎng)，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(jī)上系統(tǒng)建立聯(lián)系，控制飛行器的飛行走向，并及時(shí)地返回飛行數(shù)據(jù)。

圖1 UAV巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 UAV cruise system architecture

地面管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架如圖2所示。整個(gè)地面管理系統(tǒng)無人機(jī)分為無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖像和視頻傳輸模塊、電子地圖模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)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(chǎng)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(jī)載控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈路通信模塊（WiFi模塊）與移動(dòng)控制終端系統(tǒng)直接連接或通過WiFi網(wǎng)絡(luò)AP進(jìn)行連接，通過數(shù)據(jù)鏈路，將自身的信息或者攝像機(jī)已經(jīng)拍攝或攜帶的圖像、影像、位置、時(shí)間等信息在客戶端展示。

當(dāng)移動(dòng)終端與無人機(jī)通過WiFi建立連接之后，無人機(jī)將GPS模塊接收到的無人機(jī)的位置信息（即無人機(jī)的經(jīng)緯度信息）提取出來，經(jīng)過無線通信模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，衛(wèi)星利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，在電子地圖上準(zhǔn)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(jù)存儲(chǔ)模塊、電子地圖模塊3部分，其具體設(shè)計(jì)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(chǔ)

航跡的顯示使用了Android移動(dòng)終端調(diào)用百度地圖。首先搭建Android開發(fā)平臺(tái)，下載安裝JDK，Eclipse，ADT及Android SDK，并對(duì)其中的開發(fā)包進(jìn)行配置，根據(jù)百度地圖API所提供的開發(fā)實(shí)例，配置開發(fā)百度地圖所需的環(huán)境與權(quán)限，管理地圖生命周期，最終成功完成調(diào)用百度地圖顯示航跡的功能。

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

4 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)選在山東科技大學(xué)校園若水園南側(cè)的道路和草坪，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

UAV采用六旋翼無人機(jī)，其微控制系統(tǒng)模塊主控芯片選用STM32F407VG系列單片機(jī)，飛行姿態(tài)檢測(cè)模塊采用MPU6050芯片。為更好地檢驗(yàn)航跡實(shí)時(shí)顯示性能，共進(jìn)行了3次測(cè)試，前2次采用人工遙控飛行的方式，最后1次采用預(yù)設(shè)航跡方式。圖5為無人機(jī)實(shí)時(shí)回傳視頻的截圖。

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Test site

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

無線數(shù)據(jù)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(cè)試實(shí)時(shí)飛行航跡在百度地圖上的顯示。無人機(jī)軌跡回放的結(jié)果與圖7相同。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于Android智能移動(dòng)終端的無人飛行器航機(jī)管理系統(tǒng)，在WiFi網(wǎng)絡(luò)和Socket通信協(xié)議下，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行位置追蹤，在百度地圖上實(shí)現(xiàn)航跡顯示與回放，實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確地顯示無人機(jī)位置，并利用SQLite數(shù)據(jù)庫對(duì)無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，在需要的時(shí)候進(jìn)行軌跡的回放。該軟件已在Android智能移動(dòng)終端上進(jìn)行了安裝測(cè)試，使用結(jié)果表明：該軟件能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示無人機(jī)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(kuò)展性，可用于不同的無人機(jī)。

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

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