基于WLAN 技術(shù)的無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究

◎張瀚文 賈雪

一、研究背景

最近幾年，隨著微電子、導(dǎo)航、控制和無(wú)線通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，可以十分充足利用無(wú)人機(jī)（uav）飛行速度快，拍攝面積更大，更直觀，更耐用等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度，災(zāi)難預(yù)防、最開(kāi)始大多用于軍事領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)（uav）已經(jīng)開(kāi)始在小型化和低成本的方向發(fā)展民用化，主要分為：農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)，防止火災(zāi)的發(fā)生、災(zāi)難的及時(shí)救援、檢測(cè)環(huán)境、新聞報(bào)道，交通巡邏等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益?；谙嚓P(guān)文獻(xiàn)與團(tuán)隊(duì)實(shí)踐的相互關(guān)聯(lián)，筆者主要采用目前具有獨(dú)立巡航功能的無(wú)人機(jī)，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)定時(shí)與效驗(yàn)，進(jìn)行區(qū)域巡航與實(shí)時(shí)監(jiān)控?；跓o(wú)人機(jī)WLAN 監(jiān)控系統(tǒng)，研究了一種更廣泛、更高效的區(qū)域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

二、研究?jī)?nèi)容

第一部分是無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程中繼設(shè)備分布的建立。通過(guò)建立WIFI 中繼節(jié)點(diǎn)，可以把控制和圖像傳輸距離至少增加到10KM左右，通過(guò)WLAN 和GPS 的相互幫助，實(shí)現(xiàn)更精確的定位。目前無(wú)人機(jī)圖像傳輸?shù)闹髁鞑捎脭?shù)字圖像傳輸技術(shù)與模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。模擬圖像傳輸具有低成本、沒(méi)有延續(xù)時(shí)間、工作距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，頻率干擾相同，而缺點(diǎn)則是圖像質(zhì)量較差。數(shù)字圖像傳輸技術(shù)包括OFDM 技術(shù)、WiFi 技術(shù)等，通過(guò)2.4g 或5.8g 的數(shù)字信號(hào)傳輸視頻。它具有抗干擾能力強(qiáng)、圖像質(zhì)量較高、可靠性高和圖像時(shí)延低等優(yōu)點(diǎn)。最近幾年以來(lái)，國(guó)家無(wú)線電總局一直在跟蹤無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展。為了調(diào)節(jié)頻率的無(wú)人機(jī)（uav），工業(yè)和工信部發(fā)布通知的頻率使用無(wú)人機(jī)（uav）系統(tǒng)在2015年，計(jì)劃使用840.5 mhz ～845 mhz、1430 mhz ～1444 mhz和2408 mhz ～2440 mhz 三級(jí)頻率為無(wú)人機(jī)（uav）系統(tǒng)，并積極致力于持續(xù)發(fā)展無(wú)人機(jī)行業(yè)的健康、有序發(fā)展。常見(jiàn)的圖像傳輸信號(hào)大多分布在328 MHz～334 MHz、1200 MHz、2400 MHz 等頻段。本項(xiàng)目無(wú)人機(jī)采用2.4ghz WIFI 高清數(shù)字圖像傳輸，控制和通信半徑3.85km，通信協(xié)議支持高達(dá)720P、30FPS 視頻傳輸，自主的視覺(jué)系統(tǒng)與避障算法可設(shè)置自動(dòng)巡航對(duì)準(zhǔn)。因?yàn)闊狳c(diǎn)的地址是固定的，所以根據(jù)熱點(diǎn)的地址來(lái)定位地址。利用飛行器的GPS 模塊，便可以實(shí)現(xiàn)更精確的定位。夜間巡航監(jiān)控可以選用靈敏度較高的頭部設(shè)備，可以對(duì)相對(duì)較暗的區(qū)域進(jìn)行清晰的監(jiān)控和拍攝。

第二部分是無(wú)人機(jī)巡航航線的設(shè)計(jì)與設(shè)置。依據(jù)監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控盲區(qū)，定義并標(biāo)識(shí)具體的路由設(shè)置。在地圖上設(shè)計(jì)一條可以覆蓋盡可能多的監(jiān)控視野盲區(qū)的巡航路線，通過(guò)多次試驗(yàn)確定合適的監(jiān)控與巡邏高度，還可以解決測(cè)向等幾個(gè)技術(shù)難題和高程測(cè)量信號(hào)，還有相關(guān)弱信號(hào)的檢驗(yàn)和處理增益的提高，自動(dòng)引導(dǎo)定位和鎮(zhèn)壓，許多關(guān)鍵技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)的快速遠(yuǎn)距離搜索、識(shí)別、定位與跟蹤的圖像傳輸信號(hào)，探測(cè)距離可以超過(guò)8 公里。在無(wú)人機(jī)實(shí)際檢測(cè)偵查活動(dòng)中，相關(guān)系統(tǒng)與裝備取得了良好的實(shí)戰(zhàn)效果。無(wú)人機(jī)具有快速檢測(cè)、精確定位和有效控制還有靈活布置等優(yōu)點(diǎn)，我們現(xiàn)在也可以利用無(wú)人機(jī)的相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)原有監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)的不斷熟悉和改進(jìn)。

第三部分：區(qū)域分割的飛機(jī)、巡航控制、監(jiān)測(cè)時(shí)間，還有設(shè)置相應(yīng)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛巡航巡邏與返回，監(jiān)控室人員通過(guò)巡邏的實(shí)時(shí)圖像，根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行適當(dāng)規(guī)范的操作，并根據(jù)無(wú)人機(jī)（uav）航程的程度及時(shí)更換電池，備用容量可達(dá)20%以上。根據(jù)不同的要求，無(wú)人機(jī)的尺寸、重量、高度和距離也是各不相同。為了更好監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行，在無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)創(chuàng)新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行高度和距離，增加不同的無(wú)線通信設(shè)備。無(wú)人機(jī)的檢測(cè)手段主要包括雷達(dá)、光電和無(wú)線電監(jiān)控，而對(duì)于無(wú)人機(jī)的手段主要包括對(duì)其遙控信號(hào)和GPS 信號(hào)的干擾抑制，以及對(duì)其控制鏈路的調(diào)控。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的有效監(jiān)控，往往需要各種技術(shù)手段才能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，才能相互配合。由于無(wú)人機(jī)需要無(wú)線電波進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線監(jiān)測(cè)便成為了無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的主要手段。本文以四旋翼飛行器為研究對(duì)象，研究隨著無(wú)人機(jī)飛行技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)巡邏技術(shù)逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。固定翼無(wú)人機(jī)是常規(guī)巡邏中常用的無(wú)人機(jī)，其巡航速度90-250km/h，可采用手動(dòng)或自動(dòng)巡航方式，機(jī)動(dòng)性好。然而，固定翼無(wú)人機(jī)只能進(jìn)行單向巡航，不能懸停。四旋翼無(wú)人機(jī)是直升機(jī)的變形，動(dòng)力來(lái)源是由數(shù)個(gè)螺旋翼提供。而且因其其模型較小、所需空間小、可以懸停在空中等特點(diǎn)，在巡檢中也得到了廣泛的應(yīng)用。但是，四旋翼無(wú)人機(jī)也存在質(zhì)量輕、在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。無(wú)人直升機(jī)能夠利用程序控制自動(dòng)控制飛行，同時(shí)依靠螺旋槳提供的動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)直接起降、懸停攝影。在同步傳圖和巡航試飛過(guò)程中，還可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，糾正不足，改進(jìn)飛行程序，記錄數(shù)據(jù)，與多次飛行結(jié)果進(jìn)行相互比較，不斷改善，持續(xù)進(jìn)步。我們還可以增設(shè)長(zhǎng)途巡航試飛中繼站，實(shí)時(shí)圖像傳輸，記錄多個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)一步完善飛行巡航監(jiān)控系統(tǒng)

三、結(jié)論

該系統(tǒng)充分利用無(wú)人機(jī)巡檢飛行速度較快、拍攝范圍廣、拍攝圖像直觀、工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了巡檢工作的工作效率和管理水平。所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)地面站監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)有效的控制，全面保障巡邏無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的安全，從而達(dá)到電力巡邏的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站周邊環(huán)境的有效監(jiān)控。消費(fèi)型無(wú)人機(jī)是在無(wú)線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)建立了相當(dāng)數(shù)量的固定監(jiān)測(cè)站，配備相應(yīng)的移動(dòng)檢測(cè)車輛、移動(dòng)監(jiān)測(cè)站和便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備的背景下，首次將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于航空攝影和偵察領(lǐng)域的新嘗試。無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化操作使其在監(jiān)測(cè)物業(yè)與小區(qū)方面具有新的應(yīng)用方向。隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，采集實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像與壓縮和遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸技術(shù)已成為無(wú)線通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題?；跓o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線監(jiān)控技術(shù)則很好地滿足了這一研究需求?；赪LAN 技術(shù)的無(wú)人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究在無(wú)線電干擾的調(diào)查與相應(yīng)處理、重大活動(dòng)的安全保障和對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行相應(yīng)的處理等方面具有重要的作用。值得關(guān)注的是，當(dāng)技術(shù)設(shè)施建設(shè)達(dá)到新水平時(shí)，無(wú)線電監(jiān)測(cè)能力便會(huì)明顯提高。然而，目前的技術(shù)設(shè)施仍然難以有效處理無(wú)人機(jī)的探測(cè)、控制和定位需求。