苏ICP备112451047180号-6
基于Android手机陀螺仪传感器的无人机飞行控制系统
摘 要
随着无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化，提升无人机的娱乐性、实用性、安全性也成为各大无人机生产商的重点研发方向。本次课题是完成无人机地图应用云系统的设计与实现，飞控系统采用APM方案，控制器采用JAVA 来开发手机端控制器，地面站集成APM开源地面站，地图云采用JAVASCRIPT 来开发WEB端，后台采用PHP 和MYSQL 来开发服务器端，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。实现的功能包括无人机飞控系统集成、无人机控制系统、无人机位置共享地图、无人机协同交互、无人机应用云及3D拓展模块等。本文论述了系统的开发过程，着重论述了系统的各功能模块和数据库的设计与编程实现。通过设计一个无人机地图应用云系统，为无人机用户和各大无人机厂商提供一个有效的无人机地图应用开放平台，增加无人机的协同应用可选方案。
关键词：无人机 GPS LBS 地图协作云
Abstract
With the rapid expansion of human consumption market, the UAV applications become more diverse and daily, has also become a major without man-machine producers will focus on the direction of research and development to improve the UAV entertainment, practicality, safety. This topic is complete without man-machine map application cloud system design and implementation, flight control system by APM scheme controller by using java to develop mobile terminal controller, integrated the APM source ground ground station, the cloud map using JavaScript to develop web client, the backstage uses php and MYSQL to develop server end, the system is "flight control - controller - ground station - cloud map" structure of the composite system. : no UAV flight control system integration, man-machine control system, the UAV location sharing map, UAV cooperative interaction, no man-machine cloud applications and 3D expansion module and the realization of the function. The development process of the system is discussed in this paper. The design of each function module and database of the system and the realization of the system are discussed. Through the design of a UAV map application cloud system for UAV users and the UAV manufacturers to provide an effective UAV map application open platform to increase the UAV collaborative application options.
Key Words：UAV GPS LBS Map collaboration cloud
摘 要
随着无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化，提升无人机的娱乐性、实用性、安全性也成为各大无人机生产商的重点研发方向。本次课题是完成无人机地图应用云系统的设计与实现，飞控系统采用APM方案，控制器采用JAVA 来开发手机端控制器，地面站集成APM开源地面站，地图云采用JAVASCRIPT 来开发WEB端，后台采用PHP 和MYSQL 来开发服务器端，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。实现的功能包括无人机飞控系统集成、无人机控制系统、无人机位置共享地图、无人机协同交互、无人机应用云及3D拓展模块等。本文论述了系统的开发过程，着重论述了系统的各功能模块和数据库的设计与编程实现。通过设计一个无人机地图应用云系统，为无人机用户和各大无人机厂商提供一个有效的无人机地图应用开放平台，增加无人机的协同应用可选方案。
关键词：无人机 GPS LBS 地图协作云
Abstract
With the rapid expansion of human consumption market, the UAV applications become more diverse and daily, has also become a major without man-machine producers will focus on the direction of research and development to improve the UAV entertainment, practicality, safety. This topic is complete without man-machine map application cloud system design and implementation, flight control system by APM scheme controller by using java to develop mobile terminal controller, integrated the APM source ground ground station, the cloud map using JavaScript to develop web client, the backstage uses php and MYSQL to develop server end, the system is "flight control - controller - ground station - cloud map" structure of the composite system. : no UAV flight control system integration, man-machine control system, the UAV location sharing map, UAV cooperative interaction, no man-machine cloud applications and 3D expansion module and the realization of the function. The development process of the system is discussed in this paper. The design of each function module and database of the system and the realization of the system are discussed. Through the design of a UAV map application cloud system for UAV users and the UAV manufacturers to provide an effective UAV map application open platform to increase the UAV collaborative application options.
Key Words：UAV GPS LBS Map collaboration cloud
目 录
引 言 7
1 绪论 8
1.1 研究背景及意义 8
1.2 研究现状 8
1.3 本文主要研究内容 9
2 相关技术简介 10
2.1 无人机飞控 10
2.2 Arduino平台 11
2.3 APM开源飞控系统 12
2.4 地面控制站 12
2.5 LBS地图云 13
3 系统分析 15
3.1 系统设计目标 15
3.2 系统可行性分析 15
3.3 系统功能需求概述 16
3.4 系统设计规则 16
3.6 数据库设计 16
3.6.1 数据库概念模型 16
3.6.2 数据表字段设计 18
4 系统设计与实现 20
4.1 系统主要功能 20
4.2 飞行控制系统功能模块 20
4.2.1 APM飞行控制系统 20
4.2.2 手机控制器 21
4.2.3 地面站系统 22
4.3 地图应用云平台功能模块 24
4.3.1无人机数据共享 24
4.3.2 无人机地图呈现 24
4.3.3 无人机协同交互 25
4.3.4地图应用云服务器 26
5 系统测试 28
5.1 功能测试 28
5.2 安全测试 29
5.3 可用性测试 29
5.4 性能测试 30
5.5 测试结果分析 30
5.6 本章小结 30
总 结 31
致 谢 32
参考文献 33
引 言
目前，微型无人机技术日趋成熟，人们科技消费水平不断提高，大众消费级无人机市场迅速兴起。从无人机硬件产业链来看，随着移动终端设备的兴起使通讯芯片、传感器、电池等产业链迅速成熟，间接促进了无人机整体硬件的迅速创新和成本下降。从无人机软件产业来看，近年来飞控系统呈现明显的开源化的趋势，全世界的商业企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，飞控系统开源是引爆民用无人机市场的“爆点”。硬件成本下降促进无人机“身体”的发展，飞控系统开源化促进无人机“大脑”迅速发展。因此，无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化。但是，随着越来越多的人拥有一架甚至多架无人机，未来无人机将成为空中交通事故的最大导火索。如何规避空中撞机、干扰民航、坠机伤人事故的发送亦将成为空中交通管理的重要课题。
本次课题是完成无人机地图应用云系统的设计与实现，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。本文论述了系统的开发过程，着重论述了系统的整体集成方案和各功能模块的设计与编程实现。通过设计一个无人机应用整体解决方案，为无人机用户和各大无人机厂商提供一个有效的无人机地图应用开放平台，实现无人机位置的实时获取、共享、地图成像，从而能直观的在地图系统中显示和操作，控制无人机相互规避、相互协作、互动娱乐，可大大提高无人机的安全性、实用性、娱乐性。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
随着小型无人机技术的成熟和人们科技消费水平的提高，近几年消费级无人机市场迅速兴起。移动终端的兴起使芯片、电池、惯性传感器、通讯芯片等产业链迅速成熟，成本下降，使智能化进程得以迅速向更加小型化、低功耗的设备迈进。这也给无人机整体硬件的迅速创新和成本下降创造了良好条件：一方面，目前一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能，以满足导航传感器的信息融合，实现无人飞行器的最优控制。另一方面，伴随着苹果在iPhone上大量应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等，MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起，6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器，成本和功耗进一步降低，成本仅在几美元。另外GPS芯片仅重0.3克，价格不到5美元。硬件成本下降解决了无人机“身体”的问题，近年来飞控系统开源化的趋势解决了无人机“大脑”的问题，从此无人机不再是军用和科研机构的专利，全世界的初创科技企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，是引爆民用和消费无人机市场的“爆点”。
目前，消费级无人机越来越多，无人机驾驶者会遇到各种麻烦，他们经常“闯入”机场、军事管制区、国家公园等地方。在中国也有类似的问题，2013年的庐山地震，中科院水利局的科研人员希望通过无人机航拍观测这次地震的结果，但这个计划拖延了很久。“其实地震的第二天我们就来到震区了，但由于航空管制，无人机一直没有起飞。”无人机渐渐从军事用途转向民间，在无人机数量攀升的同时，也会带来很多问题。就像民航机一样，一开始可能没有什么限制，但当数量增加的时候就需要一套系统规划他们的路线。消费级无人机市场的兴起，无人机逐渐走向智能化、自动化，“无人机地图”确实应该出现了，怎么样提供更可靠的飞行区域可能是无人机地图应用商的下一个目标。
1.2 研究现状
近年来飞控系统开源化的趋势下，全世界的初创科技企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，国际无人机行业已经形成了 APM(用户最多)、德国 MK(最早的开源系统)、Paparazzi(稳定性高、扩展性强)、PX4 和 MWC(兼容性强)等五大无人机开源平台。无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化。但是，随着越来越多的人拥有一架甚至多架无人机，未来无人机将成为空中交通事故的最大导火索。
3D Robotics的创始人Chris Anderson 在2007年的时候把一架无人机开进了国家图书馆外的一棵树里，他那时候就发现无人机的驾驶者需要学会避开这些麻烦。目前，美国联邦航空管制局（FAA）的做法是给无人机驾驶者发放“驾照”，“无照驾驶”的操作者将受到罚款：但这项措施让很多无人机爱好者非常紧张。其实解决这个问题的方法很简单，只要驾驶者知道哪里不能飞就好了。只要遵守“交通规矩”就不会惹麻烦，如果只是单纯的限制无人机起飞，可能会拖垮无人机的发展。
海外的地图定制网站MapBox推出了一款无人机航道地图。无人机驾驶者能够在地图上查找到禁飞区域，并避开这些区域制定航道。该地图的作者之一Bobby Sudekum在博客上写到。这个地图会不断的完善，他们打造的数据可以给任何人使用，并且如果有人知道更多禁飞区域，或者会危害到无人机飞行的区域，都能够通过Github的数据修改。飞机的航道都有精密的规划，也许这个地图有一天也能够做到这一点。MapBox的无人机地图只是一个图形，它还没有任何应用，但它搜集的数据非常有价值。亚马逊一直想推行它的无人机物流计划，自动化的无人机会通过地图来判断送货地点，那么无人机自己就需要知道哪里可以飞哪里不能飞现在的无人机渐渐抛弃了遥控器，包括Hexo+、亿航等都希望无人机能够从“遥控飞机”朝“飞行机器人”转变。如果将该地图的数据做成应用，应该可以加速这个转变过程。
1.3 本文主要研究内容
本文首先对系统所涉及到的基础理论知识进行阐述，并在此基础上进行了系统分析。系统分析是平台开发的一个不可缺少的环节，为了能够使本系统更好、更完善的被设计出来，就必须先进行调查研究，对开源飞控系统方案进行调研和地图云系统功能设计分析，为将来进一步的实施打下一个坚实的技术基础。
本平台利用了现在比较前沿的“飞控——控制器——地面站——地图云”架构。考虑到系统实施的可行性，在飞控系统方面选择了如今比较流行的开源飞控来进行系统集成和API拓展，飞行控制器采用JAVA 来开发手机端控制器，地面站集成APM开源地面站，地图云采用JAVASCRIPT 来开发WEB端，后台采用PHP 和MYSQL 来开发服务器端，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。由于系统各模块都是采用非常成熟的技术解决方案，因此无论在安全性、可用性、可靠性方面都毋庸置疑。
参考文献
[1] 李金海,张景元.Struts,Spring 和 Hibernate 的 J2EE 架构的研究和实现[J].山东理工大学学报(自然科学版)2006,(06).
[2] 明日科技． Java从入门到精通（第3版）［M］． 北京：清华大学出版社，2012．
[3] 蒋宗礼，马涛，唐好魁，闫明霞等．数据库技术及应用（第2版）［M］．电子工业出版社，2010：43－65．
[4] 李兴华；Java开发实战经典 [M]；北京:清华大学出版社；2009,8:30-40.
[5] 唐汉明,翟振兴,兰丽华,关宝军,申宝柱.深入浅出MySQL数据库开发、优化与管理维护[M].人民邮电出版社出版,2006-2.
[6] 李盛恩，王珊．数据库基础与应用（第二版）［M］．北京：人民邮电出版社，2009：14－78．
[7] 孙卫琴：《精通Hibernate：Java对象持久化技术详解[M].电子工业出版社出版
[8] 刘瑞新，张兵义．大学计算机规划教材：SQL Server数据库技术及应用教程［M］．电子工业出版社，2012，8．
[9] 夏昕, 曹晓钢 , 唐勇. 深入浅出Hibernate[M].电子工业出版社, 2005-6.
[10] 张德详．J2EE架构下校园网用户管理系统的分析与部分实现［J］．青岛大学学报，2010，19(4)：86－89．
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[12] 王珊,萨师煊.数据库系统概论[M].高等教育出版社,2006.5:198-235.
[13] 张孝祥.深入Java Web开发内幕——核心基础[M].北京：电子工业出版社.北京.2006.10.
[14] 舒红平.Web 数据库编程-java[M],西安电子科技大学出版社,2005:97-134.
[15] Stephanie Bodoff, Dale Green, Kim Haase et al. The J2EE Tutorial[M].Addison-Wesley Professional,2003.7(02)
[16] Wendy Boggs, Michael Boggs. Mastering UML with Rational XDE [M]. Publishing House Of Electronics Industry，2003:11-56.
[17] Cay S.Horstmann,Gary Cornell著，叶乃文，邝劲筠，杜永萍.JAVA核心技术卷I：基础知识，程序设计教程[M].人民邮电出版社，2008.5:87-234.
[18] Bruce Eckel，饶若楠等译.Java 编程思想机械工业出版社[M],2005:124-234.
[19] 庞丽娜.Java 应用开发技术详解[M]，科学出版社,2007:126-235.
引 言
目前，微型无人机技术日趋成熟，人们科技消费水平不断提高，大众消费级无人机市场迅速兴起。从无人机硬件产业链来看，随着移动终端设备的兴起使通讯芯片、传感器、电池等产业链迅速成熟，间接促进了无人机整体硬件的迅速创新和成本下降。从无人机软件产业来看，近年来飞控系统呈现明显的开源化的趋势，全世界的商业企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，飞控系统开源是引爆民用无人机市场的“爆点”。硬件成本下降促进无人机“身体”的发展，飞控系统开源化促进无人机“大脑”迅速发展。因此，无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化。但是，随着越来越多的人拥有一架甚至多架无人机，未来无人机将成为空中交通事故的最大导火索。如何规避空中撞机、干扰民航、坠机伤人事故的发送亦将成为空中交通管理的重要课题。
本次课题是完成无人机地图应用云系统的设计与实现，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。本文论述了系统的开发过程，着重论述了系统的整体集成方案和各功能模块的设计与编程实现。通过设计一个无人机应用整体解决方案，为无人机用户和各大无人机厂商提供一个有效的无人机地图应用开放平台，实现无人机位置的实时获取、共享、地图成像，从而能直观的在地图系统中显示和操作，控制无人机相互规避、相互协作、互动娱乐，可大大提高无人机的安全性、实用性、娱乐性。
1 绪论
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随着小型无人机技术的成熟和人们科技消费水平的提高，近几年消费级无人机市场迅速兴起。移动终端的兴起使芯片、电池、惯性传感器、通讯芯片等产业链迅速成熟，成本下降，使智能化进程得以迅速向更加小型化、低功耗的设备迈进。这也给无人机整体硬件的迅速创新和成本下降创造了良好条件：一方面，目前一个高性能FPGA芯片就可以在无人机上实现双CPU的功能，以满足导航传感器的信息融合，实现无人飞行器的最优控制。另一方面，伴随着苹果在iPhone上大量应用加速计、陀螺仪、地磁传感器等，MEMS惯性传感器从2011年开始大规模兴起，6轴、9轴的惯性传感器也逐渐取代了单个传感器，成本和功耗进一步降低，成本仅在几美元。另外GPS芯片仅重0.3克，价格不到5美元。硬件成本下降解决了无人机“身体”的问题，近年来飞控系统开源化的趋势解决了无人机“大脑”的问题，从此无人机不再是军用和科研机构的专利，全世界的初创科技企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，是引爆民用和消费无人机市场的“爆点”。
目前，消费级无人机越来越多，无人机驾驶者会遇到各种麻烦，他们经常“闯入”机场、军事管制区、国家公园等地方。在中国也有类似的问题，2013年的庐山地震，中科院水利局的科研人员希望通过无人机航拍观测这次地震的结果，但这个计划拖延了很久。“其实地震的第二天我们就来到震区了，但由于航空管制，无人机一直没有起飞。”无人机渐渐从军事用途转向民间，在无人机数量攀升的同时，也会带来很多问题。就像民航机一样，一开始可能没有什么限制，但当数量增加的时候就需要一套系统规划他们的路线。消费级无人机市场的兴起，无人机逐渐走向智能化、自动化，“无人机地图”确实应该出现了，怎么样提供更可靠的飞行区域可能是无人机地图应用商的下一个目标。
1.2 研究现状
近年来飞控系统开源化的趋势下，全世界的初创科技企业和发烧友都加入了无人机系统设计的大潮中，国际无人机行业已经形成了 APM(用户最多)、德国 MK(最早的开源系统)、Paparazzi(稳定性高、扩展性强)、PX4 和 MWC(兼容性强)等五大无人机开源平台。无人机消费市场的迅速扩大，无人机的应用变得愈加多样化和日常化。但是，随着越来越多的人拥有一架甚至多架无人机，未来无人机将成为空中交通事故的最大导火索。
3D Robotics的创始人Chris Anderson 在2007年的时候把一架无人机开进了国家图书馆外的一棵树里，他那时候就发现无人机的驾驶者需要学会避开这些麻烦。目前，美国联邦航空管制局（FAA）的做法是给无人机驾驶者发放“驾照”，“无照驾驶”的操作者将受到罚款：但这项措施让很多无人机爱好者非常紧张。其实解决这个问题的方法很简单，只要驾驶者知道哪里不能飞就好了。只要遵守“交通规矩”就不会惹麻烦，如果只是单纯的限制无人机起飞，可能会拖垮无人机的发展。
海外的地图定制网站MapBox推出了一款无人机航道地图。无人机驾驶者能够在地图上查找到禁飞区域，并避开这些区域制定航道。该地图的作者之一Bobby Sudekum在博客上写到。这个地图会不断的完善，他们打造的数据可以给任何人使用，并且如果有人知道更多禁飞区域，或者会危害到无人机飞行的区域，都能够通过Github的数据修改。飞机的航道都有精密的规划，也许这个地图有一天也能够做到这一点。MapBox的无人机地图只是一个图形，它还没有任何应用，但它搜集的数据非常有价值。亚马逊一直想推行它的无人机物流计划，自动化的无人机会通过地图来判断送货地点，那么无人机自己就需要知道哪里可以飞哪里不能飞现在的无人机渐渐抛弃了遥控器，包括Hexo+、亿航等都希望无人机能够从“遥控飞机”朝“飞行机器人”转变。如果将该地图的数据做成应用，应该可以加速这个转变过程。
1.3 本文主要研究内容
本文首先对系统所涉及到的基础理论知识进行阐述，并在此基础上进行了系统分析。系统分析是平台开发的一个不可缺少的环节，为了能够使本系统更好、更完善的被设计出来，就必须先进行调查研究，对开源飞控系统方案进行调研和地图云系统功能设计分析，为将来进一步的实施打下一个坚实的技术基础。
本平台利用了现在比较前沿的“飞控——控制器——地面站——地图云”架构。考虑到系统实施的可行性，在飞控系统方面选择了如今比较流行的开源飞控来进行系统集成和API拓展，飞行控制器采用JAVA 来开发手机端控制器，地面站集成APM开源地面站，地图云采用JAVASCRIPT 来开发WEB端，后台采用PHP 和MYSQL 来开发服务器端，整个系统是“飞控——控制器——地面站——地图云”架构的复合系统。由于系统各模块都是采用非常成熟的技术解决方案，因此无论在安全性、可用性、可靠性方面都毋庸置疑。
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[18] Bruce Eckel，饶若楠等译.Java 编程思想机械工业出版社[M],2005:124-234.
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