王鈞禾

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

無人駕駛飛機簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle，縮寫UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。無人機根據(jù)空機質(zhì)量，可分為微型、輕型、小型、大型；根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，又可分為軍用與民用。無人機是利用導(dǎo)航技術(shù)、動力技術(shù)測速技術(shù)以及芯片等技術(shù)，具有低成本、低風(fēng)險、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點，其運用規(guī)模從早期的偵探、演戲等軍用范圍擴大到能源勘探、天氣預(yù)報及解決緊急事務(wù)等非軍用范圍。無人機的高效率、高清晰度等優(yōu)勢，是原有的人造地球衛(wèi)星所不能相提并論的，逐漸受到研發(fā)者和消費者的喜愛。

1 無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)的組成

無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)包括無人機、后臺控制系統(tǒng)以及無線通信技術(shù)系統(tǒng)。后臺控制系統(tǒng)經(jīng)由無線通信技術(shù)給無人機傳輸命令，無人機利用無線網(wǎng)絡(luò)將視頻影像發(fā)送到后臺控制系統(tǒng)。

1.1 無人機

無人機由飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 無人機系統(tǒng)組成

（1）飛機機體或者稱是指無人機的支撐平臺，一個好的機體應(yīng)該考慮到結(jié)構(gòu)結(jié)實耐用布局合理也要考慮到輕量化和布局美觀。

（2）無人機的核心組成部分是飛控系統(tǒng)。它負(fù)責(zé)飛行姿態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵部分，對整個無人機性能起著無可替代的功用。

（3）無人機系統(tǒng)的重要紐帶是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。它是一個智能的通訊系統(tǒng)，完善各個系統(tǒng)工作參數(shù)使之達(dá)到性能與節(jié)能的平衡。

（4）無人機回收系統(tǒng)的功用是在無人機電量不足或失聯(lián)的情況下能夠自動地按照既有程序返航。

（5）電源系統(tǒng)是保證無人機電量分配給不同配件來使用，通過優(yōu)化電源能耗來達(dá)到無人機更好的飛行體驗。

1.2 后臺控制系統(tǒng)

后臺控制系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)對無人機的遠(yuǎn)距離控制、收集無人機傳回來的影像、及時展示出無人機的地理位置和查找或制定飛行軌跡。

（1）遙控手柄通過WI-FI并向無人機傳送命令，對無人機的軌跡進(jìn)行操控的同時把懸掛在機體下方的攝像頭拍得的影像回傳到操作者。

（2）后臺操作者可以隨時觀看無人機傳回來的影像。

（3）實時展示出無人機的地理位置，利用GPS定位衛(wèi)星，定位無人機的瞬時方位。

（4）無人機的飛行軌跡能夠跟隨操作者的指示，同時也能夠根據(jù)大數(shù)據(jù)分析來標(biāo)定，大數(shù)據(jù)可以更有針對性地進(jìn)行安防監(jiān)察。

1.3 無線通信技術(shù)系統(tǒng)

無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式。

無線通信技術(shù)系統(tǒng)的基本原理如圖2所示：微型攝像機采集圖像信息；對采集到的圖像壓縮編碼，以便選擇實時和準(zhǔn)確的圖像信息；信道編碼用于進(jìn)行糾錯編碼；然后通過信號控制對目標(biāo)圖像信息處理與識別；將處理后的信號擴頻放大，使控制中心收到連續(xù)的信息通信。

圖2 無線通信技術(shù)系統(tǒng)的基本原理圖

2 無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)需要包括以下模塊：終端控制計算機、WI-FI傳輸模塊、CPU模塊、電動機模塊、高度控制模塊、采集影像模塊及GPS模塊。無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)實現(xiàn)的原理圖如圖3所示。在無人機自主飛行過程中，控制終端計算機會隨時根據(jù)各無人機的航線飛行情況，重置飛行路線，最終完成總航線的重復(fù)飛行監(jiān)控。在緊急情況下，無人機也可手動遙控飛行，飛行數(shù)據(jù)實時傳輸顯示在計算機上。

圖3 總體系統(tǒng)原理框圖

3 無人機安防監(jiān)察具體應(yīng)用

目前無人機在消費級航拍以及專業(yè)影視攝像有不錯的應(yīng)用，由于無人機在抗震救災(zāi)、邊防巡查、勘探搜索領(lǐng)域有不錯的應(yīng)用前景，而這部分大多與國防相關(guān)。因而，全世界對無人機研發(fā)大部分聚焦在軍用安防監(jiān)察的領(lǐng)域上來。由于無人機速度較高，科技含量高，而且其組成的自動控制執(zhí)行任務(wù)往往是高難度、高強度、高危險的，因此，對于這一類無人機的研究較為細(xì)化和深入。通過基于無人機拍攝的影像可以及時發(fā)現(xiàn)安防監(jiān)察問題，監(jiān)測敏感區(qū)域，識別車輛、人員，提供更為準(zhǔn)確清晰直觀的證據(jù)，而隨著商業(yè)高分無人機的普及和無人機技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步增加了防御監(jiān)察信息系統(tǒng)的自動化水平和問題處理效率。

（1）監(jiān)控巡察。利用攜帶攝像機裝置的無人機，可以像鳥類一樣在空中鳥瞰整個街區(qū)。通過其航拍的影像實現(xiàn)實時傳輸影像，利用虛擬視頻技術(shù)實時監(jiān)控視頻影像中的目標(biāo)，并對其開展持續(xù)動態(tài)追蹤，最終獲得其行動軌跡。

（2）災(zāi)區(qū)救援。使用配備了高清航拍攝像頭的無人機對災(zāi)區(qū)展開航拍，傳回實時影像。無人機動作敏捷，對于分秒必爭的災(zāi)后救援任務(wù)而言非同凡響。同時，無人機承擔(dān)了救援工作的安全，通過航拍的方式，避免了易發(fā)二次災(zāi)害的高危地區(qū)，將為突出救災(zāi)地區(qū)、選擇保險的救災(zāi)途徑還有為災(zāi)后重建提供了重大參考價值。另外，無人機可實現(xiàn)全地形監(jiān)測反饋以防引發(fā)連鎖反應(yīng)。

（3）土地測繪。無人機航拍有成本低、操控簡便、效率高等優(yōu)勢。所以采用無人機航拍來獲取基本地形資料是較為可行的方式。通過項目調(diào)研、數(shù)據(jù)獲取、制定計劃、執(zhí)行作業(yè)以及數(shù)據(jù)處理等步驟制作完成并對成果進(jìn)行檢查整理。

（4）野生動物監(jiān)測。無人機能夠在不打擾動物的前提下對其進(jìn)行檢測。這就為動物的繁衍、遷徙等提供了很高的參考價值，這在山多路窄的野外道路意義非凡。無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)還可以提供群居動物的生存情況，這項應(yīng)用對于高海拔地區(qū)的觀測起著關(guān)鍵作用。

（5）農(nóng)林植保。傳統(tǒng)地基于地面的植物組成與結(jié)構(gòu)調(diào)查由于所獲得的數(shù)據(jù)精度差、人力成本高、覆蓋范圍小等限制，很難應(yīng)用到較大的取樣面積。無人機遙感技術(shù)可以部分上彌補這些限制，目前應(yīng)該嘗試著在植物資源調(diào)查、物候監(jiān)測、植物病蟲害監(jiān)測等方面。無人機業(yè)內(nèi)人員都認(rèn)為農(nóng)業(yè)是無人機應(yīng)用的一個巨大區(qū)域。無人機通過自身懸掛可以用來播種和噴灑農(nóng)藥，還能監(jiān)察農(nóng)作物的長勢和收成情況。無人機不僅能提高農(nóng)藥的噴灑效率，而且能有避免人類長期暴露在農(nóng)藥的周圍，提高人的安全。無人機還可以在農(nóng)田上空懸停并發(fā)出錄音驅(qū)鳥的聲音來驅(qū)散對植物生長不利的鳥類。

（6）高速公路監(jiān)控。中國目前建成了大約13.1萬km的高速公路。有些高速公路要穿越山脈、河流等復(fù)雜路況?？梢杂脽o人機的安防監(jiān)察系統(tǒng)來檢查道路的完好程度、遙感測繪和觀測交通擁堵及車禍預(yù)警。無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)還可以參與測速等違章拍攝的工作中。

（7）采礦操作。利用無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)可以測量礦井的體積。通常的方法是派專員深入礦井進(jìn)行測量，如今無人機也能夠勝任。應(yīng)用無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)可以給礦坑建模，甚至可以深入礦坑進(jìn)行作業(yè)。

（8）能源巡視。能源巡視是責(zé)任重大的工程。輸油管路的巡查、光纜管道的檢察都要耗費檢察人員巨大的財力、物力、人力。舉個例子，通信鐵塔通常每隔1000m架設(shè)一個。人工巡查的效率是非常低的，利用基于無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)可以橫跨河流、狹窄山路等路況，為提高巡查效果提供保障。

（9）電力巡檢。無人機巡視時搭載有集成紅外、可見光的檢測設(shè)備，可對線路進(jìn)行紅外測溫和可見光檢查，目前，運用無人機開展日常巡視及特殊巡視的工作內(nèi)容主要有對輸電線路導(dǎo)地線、上部塔材、金具、絕緣子、附屬設(shè)施、線路走廊等進(jìn)行常規(guī)性檢查。

（10）鐵路工程建設(shè)。中國高鐵的建設(shè)風(fēng)起云涌。鐵路建設(shè)往往因某些原因會經(jīng)過不穩(wěn)定的邊坡地段，因此在第一時間獲取到這一地段的測量是非常關(guān)鍵的，這一任務(wù)可以通過無人機的低空攝像技術(shù)加以實現(xiàn)。

4 結(jié)語

由于無人機具有獨特的優(yōu)勢，可以在安防監(jiān)察等領(lǐng)域有獨特的應(yīng)用。同時，還能在災(zāi)區(qū)救援、能源監(jiān)察等諸多領(lǐng)域有所應(yīng)用。隨著國內(nèi)低空空域的開放，無人機安防監(jiān)察系統(tǒng)會愈發(fā)普及。

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