基于3G網(wǎng)絡(luò)的多旋翼無人機(jī)安防監(jiān)控設(shè)計(jì)研究

姜　成，李　旭

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙　410128）

基于3G網(wǎng)絡(luò)的多旋翼無人機(jī)安防監(jiān)控設(shè)計(jì)研究

姜成，李旭

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙410128）

文章針對目前城市安防監(jiān)控體系建設(shè)的不完善，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)實(shí)時(shí)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)利用無人機(jī)航行坐標(biāo)自主巡航采集視頻圖像，通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給地面控制終端計(jì)算機(jī)，終端計(jì)算機(jī)則通過對比識(shí)別完成智能監(jiān)控。系統(tǒng)具有速率高、機(jī)動(dòng)性能好和智能化程度高的特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

安防監(jiān)控；無人機(jī)；自主巡航；3G網(wǎng)絡(luò)；智能監(jiān)控

城市安防監(jiān)控體系是維護(hù)城市及公民人身財(cái)產(chǎn)安全的重要設(shè)施。目前我國大多數(shù)城市的安防監(jiān)控體系多以安裝固定攝像頭以及人工監(jiān)控為主，存在以下不足：由于城市規(guī)劃“滯后”、違規(guī)建筑等原因?qū)е卤O(jiān)控盲區(qū)多；監(jiān)控智能化程度低導(dǎo)致人力資源耗費(fèi)大；對緊急事件的監(jiān)控反應(yīng)不及時(shí)。使得城市及公民人身財(cái)產(chǎn)存在很大的安全隱患。為此，文章嘗試設(shè)計(jì)了一種基于3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的多旋翼無人機(jī)安防監(jiān)控系統(tǒng)，作為現(xiàn)有安防監(jiān)控體系的有益補(bǔ)充。該系統(tǒng)以3G網(wǎng)絡(luò)連接地面控制終端計(jì)算機(jī)和無人機(jī)，無人機(jī)通過接收控制終端計(jì)算機(jī)的航行坐標(biāo)及GPS與MIMU松組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)自主巡航監(jiān)控，并向終端計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場監(jiān)控畫面，終端計(jì)算機(jī)則通過稀疏編碼去噪、ICA盲分離算法實(shí)現(xiàn)不同語音的提取，并進(jìn)行對比識(shí)別“求救”語音信號(hào)，當(dāng)對比出“求救”信號(hào)后，計(jì)算機(jī)則自動(dòng)報(bào)警，以便監(jiān)控人員及時(shí)處理。

1　總體設(shè)計(jì)方案

圖1　總體系統(tǒng)框圖

為達(dá)到實(shí)時(shí)智能機(jī)動(dòng)監(jiān)控及自動(dòng)識(shí)別預(yù)報(bào)警的目的，就必須實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場音像并通過控制終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能控制。根據(jù)這一系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)模塊：控制終端計(jì)算機(jī)、3G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、中央處理器模塊、電機(jī)模塊、定高模塊、音像采集模塊、導(dǎo)航模塊、姿態(tài)模塊。其總體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）中央處理器模塊。中央處理器模塊采用OMAP5910來實(shí)現(xiàn)。OMAP是TI公司推出的專門為支持第三代（3G）無線終端應(yīng)用而設(shè)計(jì)的應(yīng)用處理器體系結(jié)構(gòu)。OMAP5910采用MCU+DSP雙內(nèi)核架構(gòu)，采用獨(dú)特的雙核架構(gòu)，把高性能低功耗的DSP和與控制性能強(qiáng)的ARM微處理器結(jié)合起來，具有集成度高、硬件可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)、速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、功耗低、開放性好等優(yōu)點(diǎn)。由兩個(gè)獨(dú)立的組件來完成應(yīng)用處理任務(wù)，其中MCU負(fù)責(zé)支持應(yīng)用操作系統(tǒng)并完成以控制為核心的處理器；而DSP則負(fù)責(zé)完成多媒體信號(hào)的處理。與單核相比，其可使操作系統(tǒng)的效率和多媒體代碼的執(zhí)行更加優(yōu)化并延長電源壽命；同時(shí)其雙處理器可將工作負(fù)荷進(jìn)行合理劃分，從而降低工作頻率，使系統(tǒng)的功耗降至最低，成功實(shí)現(xiàn)了性能與功耗的最佳組合。

（2）無線通信模塊。為減少無人機(jī)通信設(shè)備的成本，以及考慮到現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，無線通訊模塊選用華為公司生產(chǎn)的EM770W。EM770W作為華為生產(chǎn)的3G無線上網(wǎng)模塊，采用通用的Mini PCI Express接口，包括有電源接口、DART接口、輸入輸出音頻信號(hào)接口、USIM卡信號(hào)接口、高速USB2.0接口、PCM接口、天線接口等52個(gè)引腳在內(nèi)的接口。此無線模塊中的3G部分是采用WCDMA制式的，它比中國移動(dòng)的TD-SCDMA、中國電信的CDMA2000具有更快的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，支持的業(yè)務(wù)功能多且覆蓋范圍廣，更有利于實(shí)時(shí)的視頻傳輸及無人機(jī)控制。

（3）定高模塊。系統(tǒng)中的定高模塊選擇URM06-ANALOG超聲波測距模塊與MS5611氣壓傳感器相結(jié)合，以達(dá)到無人機(jī)低空安全飛行的精準(zhǔn)定高、障礙物規(guī)避和高空飛行定高的要求，同時(shí)URM06-ANALOG可在飛行初始根據(jù)實(shí)際情況矯正因不同環(huán)境導(dǎo)致的MS5611定高偏差。

URM06-ANALOG超聲波測距模塊是DFRobot基于senscomp公司6500超聲波靜電換能器設(shè)計(jì)，測量距離可達(dá)10m，工作頻率49.5KHZ，探頭方向角15°（-6dB），測量范圍20cm到10m。

MS5611-01BA氣壓傳感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器（工廠校準(zhǔn)系數(shù)）。

圖2　GPS/MIMU松組合原理圖

（4）導(dǎo)航模塊。導(dǎo)航部分采用GPS與MIMU松組合導(dǎo)航，原理圖如圖 2所示。GPS模塊選用瑞士u-blox公司的LEA-5H，具有低功耗、高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確快速的獲取位置數(shù)據(jù)。HMR3000數(shù)字羅盤用于測量地球磁場的方向和大小，并具有補(bǔ)償磁場干擾的功能，將獲得的磁場數(shù)據(jù)傳送到飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算機(jī)體的航向角。

（5）姿態(tài)模塊。無人機(jī)姿態(tài)的獲取采用LPMS-B新型高精度超小型姿態(tài)動(dòng)作捕捉傳感器。LP-RESEARCH公司的姿態(tài)傳感器LPMS-B使用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合算法，為用戶提供高精度高穩(wěn)定性的姿態(tài)動(dòng)作信息以及3軸加速度、角速度、地磁量、方位角等數(shù)據(jù)，長時(shí)間無漂移，無積累誤差。

表1　高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)參數(shù)表

（6）音像采集模塊。根據(jù)具體巡航監(jiān)控情況出發(fā)，攝像頭可選HIKVISION智能旋轉(zhuǎn)攝像頭（DS-2DC5220IW-A），420紅外網(wǎng)絡(luò)小半球攝像頭（WB09_JJ-SXQIR-LN420X）、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（WB09-GQ-SXJI-CNSOOW）以及其它攝像機(jī)的類型，可同時(shí)支持紅外、可見光等多種類型圖像的監(jiān)控，同時(shí)基于陀螺儀角度及位移校正并采用優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)與提取算法，提升相機(jī)影像清晰度。以高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)參數(shù)為例加以說明，WB09-GQ-SXJI-CNSOOW的參數(shù)如表1所示。

（7）電機(jī)模塊。電機(jī)模塊采用集成芯片L293D驅(qū)動(dòng)T-MO TOR的MT3515KV400直流無刷電機(jī)，并通過PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。L293D是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大值也是36V。

（8）控制終端計(jì)算機(jī)模塊。利用已有的計(jì)算機(jī)及服務(wù)器安裝相關(guān)控制軟件，通過3G網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)端數(shù)架無人機(jī)實(shí)行遠(yuǎn)程控制及接收實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

3　無人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制過程

本系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)融合GPS模塊和數(shù)字羅盤。為實(shí)現(xiàn)可視化導(dǎo)航系統(tǒng)，可借助控制終端計(jì)算機(jī)加載的數(shù)字地圖設(shè)定航線。在多旋翼未起飛之前先在地面站預(yù)設(shè)總航線，控制終端計(jì)算機(jī)根據(jù)總航線科學(xué)合理設(shè)計(jì)各個(gè)無人機(jī)的分航線，將航線信息通過3G數(shù)傳模塊傳送給無人機(jī)控制器。在自主導(dǎo)航開啟后，主控板將利用GPS模塊提供的經(jīng)緯度、高度、時(shí)間、數(shù)字羅盤提供的飛行航向和存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的預(yù)定飛行航線等數(shù)據(jù)信息計(jì)算飛行器的偏航量來控制飛行器的偏航。在無人機(jī)自主飛行過程中，控制終端計(jì)算機(jī)會(huì)隨時(shí)根據(jù)各無人機(jī)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，以此達(dá)到飛行監(jiān)控路線不可測的目的。在緊急情況下，無人機(jī)可手動(dòng)遙控飛行，飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸顯示在計(jì)算機(jī)上。

4　安防監(jiān)控智能識(shí)別過程

圖3　視頻壓縮編碼流程圖

無人機(jī)通過DSP將監(jiān)控的實(shí)時(shí)音像數(shù)據(jù)壓縮，并以3G網(wǎng)絡(luò)傳回控制終端計(jì)算機(jī)，視頻編碼壓縮流程圖如圖3所示?？刂平K端計(jì)算機(jī)針對無人機(jī)現(xiàn)場發(fā)回的音像數(shù)據(jù)中的語音信號(hào)首先采用稀疏編碼去噪技術(shù)對帶噪觀測混疊語音分別進(jìn)行預(yù)消噪處理，然后再利用ICA盲分離算法對稀疏編碼去噪后的混疊語音進(jìn)行分離，從而得到各個(gè)語音源信號(hào)的估計(jì)（如圖4所示），接著與數(shù)據(jù)庫中的多種“求救”語音信號(hào)進(jìn)行對比識(shí)別，當(dāng)識(shí)別出“求救”信號(hào)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)投影現(xiàn)場畫面，以便監(jiān)控人員甄別處理。

圖4　基于稀疏編碼和ICA的帶噪混疊語音盲分離案

5　結(jié)語

文章主要完成了基于3G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)安防監(jiān)視系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及智能機(jī)動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)識(shí)別預(yù)報(bào)警的實(shí)現(xiàn)策略。該系統(tǒng)采用的模塊結(jié)構(gòu)新穎、性能穩(wěn)定、可靠性高；功能實(shí)現(xiàn)策略新穎、簡單、有效。能有效解決監(jiān)控盲區(qū)多、監(jiān)控智能化程度低、人力資源耗費(fèi)大、對緊急事件的監(jiān)控反應(yīng)不實(shí)時(shí)等的安防監(jiān)控問題。在城市安防監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。

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Research on Security Monitoring Design of Multi-rotor UAV based on 3G Network

JIANG Cheng，LI Xu
（Engineering College of Hunan Agricultural University，Changsha，Henan 410128，China）

Aiming at the insufficiency of city security surveillance system，this paper designs a real-time and intelligent UVA （unmanned aerial vehicle）security surveillance system.Following the coordinate figure of UVA，the system cruises autonomously to collect video images which are sent to the terminal computer of ground control through 3G network，and then the computer achieve intelligent surveillance by comparing and recognizing those images.The system is of high speed，high maneuvering performance，and high-level intelligence.It also has high application value.

security monitoring；UAV；self-navigation；3G network；intelligent monitoring

V279

A

2095-980X（2016）07-0057-02

2016-06-17

湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通［2015］291號(hào)）

姜成（1994-），男，湖南邵陽人，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)械電子工程。