基于5G技術(shù)的無人機校園巡視系統(tǒng)的研究*

汪兵兵 ， 陳惠敏 ， 黨元曉 ， 王廣印 ， 沈佳琦

（昌吉學(xué)院航空學(xué)院，新疆 昌吉州 831100）

隨著科技水平的不斷提升，通信系統(tǒng)與技術(shù)得到了快速發(fā)展。5G通信技術(shù)具有使用范圍廣、能耗低、傳輸速度快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)、人們生活的各個領(lǐng)域。無人機作為一種無人駕駛飛機，被廣泛使用在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、消防、勘探、航拍等各個領(lǐng)域中。將5G技術(shù)與無人機技術(shù)組合起來并加以應(yīng)用，已經(jīng)成為社會的潮流，其發(fā)展空間和應(yīng)用前景均無限廣闊。本文介紹了一種將5G技術(shù)與無人機技術(shù)結(jié)合起來用于校園安全檢查巡視的系統(tǒng)，通過5G網(wǎng)絡(luò)使無人機搭載的攝像機拍攝的圖像能夠快速回傳到指揮大廳，方便校園安保人員巡查。

1 無人機與5G網(wǎng)絡(luò)概述及應(yīng)用

1.1 無人機介紹

無人機作為一種無人駕駛、飛行重于空氣的航空器（UAV），是一種主要通過無線電遙控設(shè)備或者自身搭載的程序控制設(shè)備操縱的不載人航空器[1]。無人機作為一種無人駕駛搭載電子設(shè)備的航空器，具有體積小、質(zhì)量輕、價格低廉、攜帶方便等特點，已經(jīng)在生活中的各個方面被廣泛使用[2]。荊懷龍等[3]用無人機對丘陵果園種植中的病蟲害進行監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)采用無人機可以精準(zhǔn)地監(jiān)測果園病情；王帥[4]研究了無人機的遙感等相關(guān)技術(shù)在水利與災(zāi)害防治等方面的應(yīng)用，并提出了建設(shè)性意見。由此可見，無人機技術(shù)已經(jīng)在人們生活中被大量使用。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其發(fā)展

5G作為第五代通信技術(shù)，具有傳輸速率高、延時低、應(yīng)用場合廣泛等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛運用在人們?nèi)粘Ｉ钪?，與現(xiàn)有的4G通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)在網(wǎng)速傳輸方面的能力遠遠高于4G通信技術(shù)。同時，5G通信率先使用云RAN和虛擬RAN的新架構(gòu)并融合多種技術(shù)，在性能上遠遠超過2G、3G、LTE、LTE-A、Wi-Fi、M2M等技術(shù)[5]。

2013年2 月歐盟開始計劃推進5G移動技術(shù)發(fā)展，我國于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推進領(lǐng)導(dǎo)小組，2016年1月我國5G技術(shù)研發(fā)正式開始，2016年5月31日在北京召開第一屆全球5G大會，2017年11月我國開始進行5G技術(shù)研發(fā)試驗第三階段測試，2018年2月華為推出首款5G商用芯片[6]，2019年6月工信部向中國移動等四家通信廠商發(fā)放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。自此以后，我國開始進入5G技術(shù)應(yīng)用高速發(fā)展時期。

1.3 無人機+5G應(yīng)用

5G移動通信技術(shù)具有其獨特的通信特點，在生活中的很多場合被廣泛運用，越來越多的人將無人機與5G技術(shù)結(jié)合起來使用，在生活中形成了一種“5G+”的使用潮流。

徐海奇等[7]研究了基于5G技術(shù)的變電站無人機巡檢解決方案，進一步促進電網(wǎng)監(jiān)控、巡檢作業(yè)向著智能化、可視化、高清化的方向發(fā)展，很大程度上提升了供電設(shè)備的檢查效率。

李寧[8]分析了5G 技術(shù)在警用無人機應(yīng)用中的優(yōu)勢，認(rèn)為將5G技術(shù)運用在警用無人機上能夠在一定程度上解決現(xiàn)階段無人機數(shù)據(jù)傳輸速率寬帶低、覆蓋空域小等難題，提高公安機關(guān)辦案效率，解決警力不足等問題。

潘偉[9]為解決市中心湖泊水體任意垂釣問題，將5G技術(shù)、AI技術(shù)和無人機相互融合一起，通過AI為無人機賦能，利用無人機不定期巡航實現(xiàn)相關(guān)區(qū)域水體保護。

本文將現(xiàn)有5G技術(shù)與無人機技術(shù)組合搭建出了一款無人機校園巡視系統(tǒng)，以期為校園安全提供服務(wù)。

2 5G無人機的原理及硬件搭建

2.1 5G無人機設(shè)計原理

本文所設(shè)計的系統(tǒng)平臺主要使用5G傳輸模塊作為一個數(shù)據(jù)傳輸端口，設(shè)備搭載樹莓派作為機載電腦實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，采集機載攝像機所拍攝的圖片，最終通過網(wǎng)絡(luò)形式傳送到電腦等地面站，通過GPS模塊完成設(shè)備定位功能，如圖1所示。

圖1 設(shè)計原理圖

2.2 5G無人機硬件平臺

根據(jù)需求，在現(xiàn)有650無人機的基礎(chǔ)上安置5G模塊平臺，如圖2所示，其主要包括5G通信鏈路、微型機載計算機、單目攝像頭、PIX4飛控板和無人機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖2 硬件平臺搭建

2.2.1 5G通信鏈路

課題組采用SIM8200EA-M2 5G模組實現(xiàn)無人機配網(wǎng)，如圖3所示。該模塊是基于高通驍龍X55平臺，可支持多頻段3G、4G、5G上網(wǎng)，可用于打電話、發(fā)短信、云平臺通信等。該設(shè)備搭載USB3.1接口，可用于測試AT指令；背部設(shè)置SIM卡槽可用于移動卡安裝，即可以完成數(shù)據(jù)通信的搭建，借助5G傳輸模塊可以完成圖像的高速傳送。

圖3 SIM8200EA-M2

2.2.2 微型機載計算機

課題組采用最新樹莓派（Raspberry Pi）4B-8B為機載電腦，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的傳輸，如圖4所示。機載設(shè)備內(nèi)部放置信用卡大小的卡片式電腦，其系統(tǒng)基于Linux系統(tǒng)設(shè)置。樹莓派機載電腦底層是一個完整的Linux操作系統(tǒng)，并不像Android的底層只是一個精簡過的Linux嵌入式版本。該設(shè)備是一個開放源代碼的硬件平臺，平臺包含一塊具備I/O功能的電路板及Broadcom BCM2835 system on a chip(SoC)的ARM芯片。

圖4 樹莓派機載電腦

2.2.3 單目攝像頭

在圖像采集模塊，課題組選用英偉達77度800萬像素的IMX219單目攝像頭，如圖5所示。其具有焦距2.85 mm、光圈2.0、對角視場角79.3°、畸變＜1%等特點，基本可滿足圖像傳輸要求；同時還具有體積小、重量輕的特點，可進一步降低無人機飛行載荷。通過將圖像采集信號傳送到5G傳輸組件中，可實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)將圖像接入流媒體中。

圖5 IMX219單目攝像頭

2.2.4 Pixhawk2.4.8飛控板

飛控板選擇Pixhawk2.4.8控制器，如圖6所示。它是一個雙處理器的飛行控制器，可實現(xiàn)強大的飛行控制計算，其搭載32位STM32F427Cortex M4核心的168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash處理器，具有安全穩(wěn)定等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛使用。

圖6 Pixhawk2.4.8飛控板

2.2.5 整體平臺搭建

課題組選用650無人機機架，搭載電調(diào)及四部電機驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn)，通過設(shè)計5G整體模塊驅(qū)動設(shè)備飛行及圖像傳輸，基本可以實現(xiàn)無人機控制飛行及機載5G圖像傳輸，整機平臺如圖7所示。

圖7 整機平臺

2.3 圖傳數(shù)傳設(shè)置

2.3.1 5G網(wǎng)絡(luò)配置過程

1）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置。課題組以SIM8200EA-M2 5G模組、樹莓派、PIX4作為5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵挠布?G模塊使樹莓派配網(wǎng)，樹莓派通過串口與無人機飛控通信，實現(xiàn)無人機的5G數(shù)據(jù)鏈通信，最終達到5G通信的目標(biāo)。

2）5G模塊驅(qū)動程序。選擇現(xiàn)有的5G模塊驅(qū)動，通過樹莓派聯(lián)網(wǎng)下載完成相關(guān)的驅(qū)動程序并安裝于機載計算機中。

3）配置網(wǎng)絡(luò)接口。通過已經(jīng)下載好的驅(qū)動程序，運行ifconfig-a命令行，并檢查網(wǎng)絡(luò)配置情況，用配置好的網(wǎng)絡(luò)為后續(xù)上網(wǎng)提供基礎(chǔ)。

4）機載設(shè)備與終端通信。根據(jù)機載電腦與5G之間的相關(guān)搭建，根據(jù)AT測試其通信，將sudo apt-get install minicom與sudo minicom -D /dev/ttyUSB2命令行輸入測試，并得到OK結(jié)果，表示已完成終端通信。

2.3.2 圖像傳輸過程

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)果，對5G完成整體網(wǎng)絡(luò)配置，并通過機載電腦設(shè)置網(wǎng)絡(luò)流媒體，將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)通過流媒體傳輸出去。在5G通信鏈路下，除了擁有更快的網(wǎng)絡(luò)，解決了局域網(wǎng)擁堵等問題，信號品質(zhì)方面也會更好，更加省電，干擾也會更小。圖像傳遞系統(tǒng)由遠程服務(wù)器端、飛機端、地面中繼端和電腦/手機視頻控制端四個部分組成，將該5G模塊分別嵌入無人機飛機端和地面中繼端。

首先，使用ffmpeg進行圖傳，運行sudo raspiconfig使能攝像頭；其次，獲得rtmp地址和直播碼，通過樹莓派端執(zhí)行，并輸入“rtmp地址/直播碼”；最后，鏈接已經(jīng)配置好的5G網(wǎng)絡(luò)，運行終端指令，在rtmp端便可實時觀測無人機拍攝到的圖像。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸過程

無線數(shù)據(jù)傳送[10]是采用數(shù)字信號處理，數(shù)字調(diào)制解調(diào)，并且具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。傳輸速率19.2 kbps，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間10 ms，具有場強、溫度、電壓、飛行高度、衛(wèi)星數(shù)量等指示，并且地面端可以通過數(shù)據(jù)傳送發(fā)送指令使其完成自主起降及路徑規(guī)劃。本文采用開源QGC地面站，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為無人機專用的MAVLINK通信協(xié)議，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

3 平臺測試與分析

課題組將無人機與5G相結(jié)合完成校園巡視無人機的設(shè)計。該類型無人機為650四旋翼無人機，飛行過程中設(shè)定GPS飛行模式，飛機飛行中邊飛行邊回傳圖像，可對重點區(qū)域拍攝圖片及視頻。測試區(qū)域為學(xué)校區(qū)域，這一區(qū)域5G基站數(shù)量較少，因此實際傳輸過程中會存在一定延遲，大約為250 ms～300 ms；設(shè)定丟包率0.1%，因而回傳的圖像會存在一定模糊，大約5 s會出現(xiàn)馬賽克圖像，這一現(xiàn)象主要還是受5G基站影響，因此后期將選取5G信號相對強的區(qū)域進一步改進圖像回傳方案。

4 結(jié)語

課題組以無人機平臺與5G技術(shù)為背景，設(shè)計了一款“5G+”應(yīng)用設(shè)備無人機校園巡視系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含5G模塊、樹莓派機載電腦、GPS模塊、英偉達單目攝像頭和無人機基礎(chǔ)設(shè)備，基本實現(xiàn)了無人機一邊飛行一邊通過5G設(shè)備回傳圖像數(shù)據(jù)的目標(biāo)。該設(shè)備的研發(fā)設(shè)計在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用方面展開了一些探索，取得了一定成果，但也面臨著一些問題。首先，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嫘璨粩嘣黾訜o人機載荷，但無人機機載載荷具有一定的限制，這樣只有選取大型無人機才能完成復(fù)雜方案；其次，5G設(shè)備傳輸中針對畫面?zhèn)鬏斦加玫膸捿^大，這意味需要更多的數(shù)據(jù)流量完成視頻傳輸，因此比較費流量；最后，5G作為一種不斷發(fā)展的技術(shù)，其設(shè)備模塊組件費用較高，深入研究的研發(fā)費用相對較高。因此“5G+”應(yīng)用技術(shù)在之后的使用過程中將有很大發(fā)展空間，后期將進一步優(yōu)化無人機與5G技術(shù)的融合。