基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能無人巡檢系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究

[摘 要]為提高基礎(chǔ)設(shè)施巡檢的安全性和效率，文章采用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了智能無人巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，集成高精度定位、實時圖像處理和環(huán)境感知技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸和處理的精準性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在巡檢效率、故障診斷精確率等方面優(yōu)于傳統(tǒng)方案，可為電力、通信等領(lǐng)域的智能巡檢提供有效解決方案。

[關(guān)鍵詞]5G網(wǎng)絡(luò)；智能無人巡檢；無人機

[中圖分類號]TP242.6 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0051–03

Design and Application Research of Intelligent Unmanned Inspection System Based on 5G Network

ZHAI Ruichen

[Abstract]In order to improve the security and efficiency of infrastructure inspection， this study adopts 5G network technology to design and implement an intelligent unmanned inspection system. The system adopts a layered architecture， integrating high-precision positioning， real-time image processing， and environmental awareness technology to ensure the accuracy of data transmission and processing. The test results show that the system is superior to traditional solutions in terms of inspection efficiency and fault diagnosis accuracy， providing an effective solution for intelligent inspection in fields such as power and communication.

[Keywords]5G network； intelligent unmanned inspection； unmanned aerial vehicle

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

智能無人巡檢系統(tǒng)如圖1所示，采用分層設(shè)計，包含數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層和實際應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層由無人機搭載的多種傳感器組成，執(zhí)行多維度數(shù)據(jù)采集任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信層通過5G通信模塊實現(xiàn)無人機與地面控制中心間的高速、實時、可靠數(shù)據(jù)傳輸。實際應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)處理中心、決策支持系統(tǒng)和運維人員，負責分析數(shù)據(jù)、提供故障診斷和維修決策支持。該分層架構(gòu)提升了整體工作效率和可靠性，保障了基礎(chǔ)設(shè)施的安全運行。

1.2 平臺設(shè)計與改裝

5G–無人機通信傳輸如圖2所示。智能無人巡檢系統(tǒng)以中型固定翼無人機為硬件平臺主體，在無人機上集成了5G通信終端、高清視覺系統(tǒng)、激光雷達等多種傳感器，實現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。無人機平臺具有航程遠、載重大、續(xù)航時間長等優(yōu)勢，可大范圍、長時間執(zhí)行巡檢任務(wù)。為提高其適應(yīng)性和可靠性，對無人機平臺進行了多方面改裝：增加了2個副翼，提高了機身空氣動力學性能；在機身底部加裝了減震支架，以減小著陸沖擊對載荷的影響；在機翼根部安裝了防冰加熱裝置，提高其在惡劣天氣下的工作能力。5G通信終端是實現(xiàn)無人機遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，該終端采用了驍龍X60基帶芯片，支持5G毫米波和Sub–6 GHz雙模，具有高達7.5 Gbps的峰值下行速率，可實現(xiàn)4k/8k高清視頻的無延遲傳輸。

1.3 環(huán)境感知單元

系統(tǒng)的環(huán)境感知單元由氣象感知、高精度定位和智能避障3個模塊組成，確保無人機在惡劣環(huán)境下安全可靠地執(zhí)行巡檢任務(wù)。氣象感知模塊監(jiān)測風速、溫濕度、大氣壓等氣象狀況，使無人機能及時調(diào)整飛行參數(shù)或返航以規(guī)避風險。高精度定位模塊集成北斗/ GPS導航、視覺測距和激光測距技術(shù)，提供精確的定位和導航。智能避障模塊結(jié)合毫米波雷達和雙目相機，進行遠近距離障礙物探測和分類識別，規(guī)劃最優(yōu)航線實現(xiàn)精準避障。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 5G–無人巡檢通信方案

5G移動通信網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的主通信渠道，在復雜地形或偏遠地區(qū)也不可避免地存在覆蓋盲區(qū)和信號空洞，所以引入衛(wèi)星通信作為備份補充。當無人機飛臨無5G信號覆蓋區(qū)域時，衛(wèi)星通信鏈路將自動啟用，接管數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，確保關(guān)鍵控制指令和告警信息能夠及時送達，維護巡檢作業(yè)的連續(xù)性。5G和衛(wèi)星通信各自承擔不同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，兩者通過智能路由選擇和無縫切換機制高效銜接，構(gòu)建了無縫覆蓋、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。無人機在整個巡檢過程中，始終與地面控制中心保持連接，暢通無阻地接收指令、上傳數(shù)據(jù)，大幅提高了作業(yè)效率和安全性。通信流程如圖3所示。

2.2 圖像收集與識別程序設(shè)計

該模塊采用模塊化和層次化設(shè)計，包括圖像獲取、預(yù)處理、特征提取和目標識別4個子模塊。圖像獲取層實時采集目標圖像；預(yù)處理層對原始圖像進行去噪、增強和校正；特征提取層應(yīng)用SIFT、HOG等算法提取圖像低級特征；目標識別層結(jié)合深度學習技術(shù)，對異常情況進行智能識別和分類。巡檢過程中，模塊根據(jù)不同目標采用針對性識別策略，如輸電線路識別通過霍夫變換確定中心線，局部掃描識別絕緣子缺陷等；鐵塔識別先確定塔型，再檢查連接點、焊縫等，判斷是否存在銹蝕、開裂等問題，為檢修提供精確數(shù)據(jù)支持。

2.3 應(yīng)用軟件設(shè)計

將控制端制作成App形式，操控員可以使用手機、電腦或車載移動端進行操作，包含操作控制、狀態(tài)監(jiān)視、天氣監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理等模塊，實現(xiàn)了無人機及其荷載的一站式管理控制。操作控制模塊提供直觀高效的人機交互界面，支持智能輔助決策；狀態(tài)監(jiān)視模塊可視化展示飛行數(shù)據(jù)并設(shè)有告警機制；天氣監(jiān)測模塊集成多種傳感器，提供實時氣象信息；數(shù)據(jù)管理模塊則負責多源數(shù)據(jù)的存儲和分發(fā)。該軟件系統(tǒng)操作簡便、功能完備，有力支持了無人機巡檢作業(yè)的高效開展。應(yīng)用軟件構(gòu)架如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

3.1 無人機飛行測試

為確保無人機在不同磁場干擾環(huán)境下能夠安全起飛和飛行，進行了一系列飛行測試。測試方案是在具有磁場干擾的不同高度的平臺上放置無人機，觀察其是否能夠正常起飛和飛行，無人機起飛高度與飛行狀態(tài)統(tǒng)計見表1。

由表1可知，為了確保無人機巡檢系統(tǒng)的安全運行，需要滿足一定的最低起飛高度，建議不低于15 cm，在該高度下，無人機可以順利起飛，執(zhí)行規(guī)劃好的巡檢任務(wù)。

3.2 無人機精準降落測試

采用相同型號無人機，針對不同場景進行了為期1周的降落精度測試，試驗結(jié)果見表2。由表2可知，每次落地差都控制在5 cm以內(nèi)，滿足無人機降落后中心軸距與目標點實際水平距離誤差不超過5 cm的要求。與傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)相比，該無人機精準降落系統(tǒng)展現(xiàn)出了更高的精度水平，定位誤差明顯小于GPS米級定位精度。

3.3 巡檢測試

巡檢測試結(jié)果見表3，與傳統(tǒng)巡檢方案相比，該智能無人機巡檢系統(tǒng)在巡檢路徑、時間、故障發(fā)現(xiàn)時效、診斷精確率、定位精度和信息處理效率等關(guān)鍵指標上均展現(xiàn)出了卓越性能。該系統(tǒng)自動化、智能化和遠程操作的優(yōu)勢，使其在提高巡檢效率、提升故障診斷水平和運維質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

文章成功設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能無人巡檢系統(tǒng)，其通過整合高精度定位、實時圖像處理和環(huán)境感知等先進技術(shù)，有效提升了電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施巡檢的安全性、效率和準確性，顯著降低了人力成本和操作風險。未來工作將重點研究系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的適應(yīng)性優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理算法的進一步提升，以滿足更廣泛應(yīng)用場景的需求。

參考文獻

[1] 呂文祥.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計研究[J].信息記錄材料，2024，25（1）：81-83，86.

[2] 夏德喜，劉浩滿，蘆璐.無人機自動化巡檢技術(shù)在光伏電站中的應(yīng)用[J].太陽能，2023（12）：74-81.

[3] 陳平.基于無人機圖像的鐵路周邊環(huán)境隱患智能分析方法研究[D].北京：北京交通大學，2023.