基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī)交通警察系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：為了彌補(bǔ)城市交通警力不足，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種無人機(jī)交通警察系統(tǒng)。該系統(tǒng)以無人機(jī)為載體，融合北斗高精度差分定位、GIS導(dǎo)航、機(jī)器視覺監(jiān)控以及5G通信技術(shù)，旨在實現(xiàn)偵察堪測、違法識別、證據(jù)固定、違法告知以及應(yīng)急指揮等多項功能。在公路巡視中，無人機(jī)利用機(jī)器視覺技術(shù)實時監(jiān)控交通狀況，并通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳壓縮視頻數(shù)據(jù)至云端進(jìn)行違法識別與證據(jù)固定。云端生成交通指揮指令，以文字的形式反饋給無人機(jī)。無人機(jī)接收到指令后，通過高音定向喇叭進(jìn)行現(xiàn)場播報，從而實現(xiàn)應(yīng)急交通指揮。此外，為確保交通監(jiān)管的持續(xù)性，還設(shè)計了多無人機(jī)交替巡檢的工作機(jī)制，有效解決了無人機(jī)續(xù)航時間的限制問題。綜上所述，該無人機(jī)交通警察系統(tǒng)憑借其機(jī)動靈活、高效智能的特點，有望在城市及偏遠(yuǎn)公路的交通管理中發(fā)揮重要作用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；北斗差分定位；無人機(jī)；交通警察；機(jī)器視覺；車速估算

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.017

0 引 言

隨著中國城市規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張，城市道路網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜化[1]，交通事故、交通擁堵、路段損壞、水澇災(zāi)害及交通違法等問題日益嚴(yán)峻[2]?，F(xiàn)有交警人力已難以快速應(yīng)對和有效處理這些問題，因此亟需引入電子警察技術(shù)以強(qiáng)化警力效能，提升城市交通的智能化管理水平[3]。

當(dāng)前主流的電子警察系統(tǒng)多采用“電子眼抓拍系統(tǒng)”，存在諸多不足[4]。這些系統(tǒng)采用有線通信方式，維修時需破壞路面[5]，會對交通造成額外負(fù)擔(dān)；其定點靜態(tài)的工作方式也限制了監(jiān)管視角，無法有效追蹤違法車輛[6]；此外，功能局限于闖紅燈、超速、壓線行駛等幾種違法行為的識別，遠(yuǎn)未達(dá)到警察親臨現(xiàn)場的巡檢效果[7]。

鑒于此，如何彌補(bǔ)原有電子警察系統(tǒng)的技術(shù)缺陷已成為智慧交通領(lǐng)域亟待解決的問題。本研究以無人機(jī)為載體，融合了北斗高精度差分定位技術(shù)、GIS線路導(dǎo)航、機(jī)器視覺監(jiān)控以及5G通信技術(shù)，旨在打造一款具備偵察堪測、違法識別、證據(jù)固定、違法告知以及應(yīng)急指揮等功能的無人機(jī)交通警察系統(tǒng)。

1 設(shè)計目標(biāo)

該系統(tǒng)將實現(xiàn)以下八個設(shè)計目標(biāo)：

（1）利用北斗精準(zhǔn)授時技術(shù)，確保無人機(jī)與道路交通信號控制網(wǎng)絡(luò)時間同步，為闖紅燈等違法行為識別提供準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn)。

（2）通過北斗差分定位技術(shù)，使無人機(jī)能夠懸停在難以架設(shè)傳統(tǒng)電子眼的區(qū)域進(jìn)行定點監(jiān)控。

（3）規(guī)劃無人機(jī)巡檢路線，模擬交通巡警對繁忙路線的動態(tài)巡邏。

（4）在重大災(zāi)難發(fā)生時，利用北斗短報文技術(shù)作為應(yīng)急通信手段，結(jié)合TTS技術(shù)，通過高音定向喇叭進(jìn)行語音播報，實現(xiàn)應(yīng)急交通指揮。

（5）利用無人機(jī)出色的機(jī)動性能，對違法車輛進(jìn)行追逐并多角度連續(xù)錄像，完善偵察巡邏、違法識別、追蹤取證及證據(jù)固定的執(zhí)法過程。

（6）借助5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬特性，實現(xiàn)機(jī)載高清攝像頭采集視頻的實時上傳；云端利用機(jī)器視覺技術(shù)測量車輛車速，并發(fā)現(xiàn)壓線行駛等違法行為。

（7）為無人機(jī)配備照明燈具，確保夜間巡檢工作的順利進(jìn)行。

（8）通過三臺無人機(jī)組成巡檢組的方式，實現(xiàn)飛行、待命、充電狀態(tài)的有序輪換，確保交通監(jiān)管的持續(xù)性。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

無人機(jī)交通警察系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)通過5G數(shù)傳模塊將壓縮后的視頻實時上傳至云端控制平臺。云端控制平臺利用強(qiáng)大的計算能力對現(xiàn)場車輛的行為進(jìn)行深入分析，以準(zhǔn)確識別車輛是否存在交通違法行為。一旦發(fā)現(xiàn)違法車輛，云端將迅速調(diào)度無人機(jī)飛至其前方，并利用高音定向喇叭對駕駛員喊話，促使其及時糾正違法行為。為確保工作區(qū)域內(nèi)24 h不間斷巡邏，本系統(tǒng)采用三班制循環(huán)工作模式，每組配備三架無人機(jī)。其中，一架負(fù)責(zé)在空中監(jiān)控巡邏，另外兩架則在樓頂充電樁處充電待命。當(dāng)巡邏無人機(jī)的電量低于20%或遇到緊急情況時，會立即向控制臺發(fā)送信號，此時待命無人機(jī)中的其中一架將立刻飛往工作區(qū)域進(jìn)行換班，而原巡邏無人機(jī)則返回充電樁充電。這種三班制循環(huán)工作模式確保了監(jiān)管區(qū)域內(nèi)始終至少有一架無人機(jī)在進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控巡邏。

2.2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)選型

無人機(jī)交通警察在城市公路路段上空執(zhí)行任務(wù)，需要按預(yù)設(shè)的巡邏路線持續(xù)對道路進(jìn)行監(jiān)控，形成固定的執(zhí)法監(jiān)管區(qū)域。這就要求無人機(jī)不僅需具備足夠的續(xù)航能力，還需擁有自主充電能力。為此，本系統(tǒng)選用了電動式四旋翼無人機(jī)，采用磁吸自校準(zhǔn)充電口的充電方式。此類無人機(jī)具有輕便、小巧、機(jī)動性強(qiáng)以及靈活度高的特點，即使在發(fā)生墜機(jī)事故時，對地面交通安全的影響也較小[8]。

2.3 飛控模塊設(shè)計

使用iFLY40作為飛行控制模塊。iFLY40內(nèi)部集成了三軸加速度計、三軸數(shù)字陀螺儀、空速傳感器、高度傳感器等，并具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，提供10路輸出，便于控制北斗、攝像頭、5G數(shù)據(jù)傳輸模塊、聲光告警模塊、高音定向喇叭模塊等。iFLY40可以實時測量無人機(jī)的三軸航姿，高實時性地對飛行姿態(tài)進(jìn)行精確控制。飛控模塊及周邊模組硬件框圖如圖2所示。

2.4 北斗差分定位

選擇UBLOX NEO-M8P差分定位模塊，該模塊支持GPS、GLONASS、BeiDou衛(wèi)星信號[9]。MCU選擇ESP32S3，其串口連接北斗模塊的GPS_TX_UBLOX和GPS_RX_UBLOX引腳，可獲得$BDRMC或$BDGGA數(shù)據(jù)并從中解析出日期、時間和經(jīng)緯度信息。NEO-M8P電路原理如圖3所示。

采用北斗差分定位算法，對載波實施精密測量，進(jìn)而構(gòu)建出適用于動態(tài)基準(zhǔn)站的短基線測量環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，對所采集的數(shù)據(jù)通過接收機(jī)進(jìn)行雙差處理，以提升數(shù)據(jù)精度。此外，利用多頻觀測量的線性組合，生成了多樣化的波長組合觀測量，并進(jìn)一步采用窗口滑動均值濾波技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。為了優(yōu)化整個定位過程，提出了一種基于北斗差分定位算法的數(shù)學(xué)模型，該模型能夠有效降低算法的復(fù)雜度，提升求解效率，從而實現(xiàn)精確的實時動態(tài)定位。

距離測量值的計算見式（1）：

式中：距離測量值中使用偽距觀測值，ρ為接收機(jī)到衛(wèi)星之間的偽距觀測值；r為接收機(jī)到衛(wèi)星的幾何距離；c代表真空環(huán)境中的光速；δtu為接收機(jī)的鐘差；δts為衛(wèi)星的鐘差；I為考慮電離層的延遲；T為考慮對流層的延遲；εp為考慮偽距測量的噪聲量。

載波相位觀測值的計算見式（2）：

單差載波相位的測量值計算見式（3）、式（4）：

雙差觀測量的表達(dá)式見式（5）：

雙差窄巷組合測量值的計算見式（6）：

對組合測量值進(jìn)行滑動均值濾波，見式（7）：

式（2）～式（4）通過縮小波長加大模糊度求解難度，有效減小了噪聲，可以應(yīng)用于精密定位。

式（5）～式（7）對組合測量值進(jìn)行滑動均值濾波，通過采樣和測試，有效抑制了觀測過程中的隨機(jī)噪聲，使得觀測值平滑連貫，收斂性能好。

雙差窄巷測量值的誤差均方差計算見式（8）：

通過可知，系統(tǒng)有效減少了測量的噪聲，提高了測量的精度。

滑動均值濾波的誤差方差計算見式（9）：

式中：τ為時間常數(shù)；為觀測誤差的自相關(guān)函數(shù)；β為多徑誤差的時間函數(shù)。通過算出的均值濾波的誤差方差可知，系統(tǒng)可提高整周模糊度解算精度。因此，利用北斗差分定位技術(shù)可以將動態(tài)誤差限制在厘米級。

2.5 其他硬件設(shè)計

無人機(jī)交通警察通過攝像頭采集交通信息，通過5G模塊與云端實現(xiàn)信息交互。無人機(jī)交通警察及時對違法行為進(jìn)行拍照取證，從而有效減輕交警的工作負(fù)擔(dān)并降低交通事故的發(fā)生率。為了實現(xiàn)這些功能，還需要為無人機(jī)交通警察配置高音定向喇叭、夜間探照燈、警示燈以及反光條等[10]，以確保它們能夠高效地完成各種執(zhí)法任務(wù)，為人類警察提供有力輔助。

3 軟件設(shè)計

3.1 云端軟件

無人機(jī)交通警察云端通過YOLOv5機(jī)器視覺技術(shù)識別交通場景，發(fā)現(xiàn)交通違法行為，完成城市道路現(xiàn)場交通監(jiān)管過程。云端平臺的無人機(jī)管理界面如圖4所示。在前期大數(shù)據(jù)不足時，需要依賴人工在中央指揮大屏進(jìn)行識別工作，逐步積累數(shù)據(jù)，形成機(jī)器視覺識別所需的訓(xùn)練集。

3.2 基于消抖的車速估算方法

無人機(jī)在飛行過程中形成的攝像機(jī)抖動會導(dǎo)致車速計算錯誤，也會影響車型車號的識別效果。攝像空間位置和姿態(tài)的改變[11]，即無人機(jī)高度變化，會對車輛在測速區(qū)中x坐標(biāo)值有影響，此時需要對垂直方向進(jìn)行消抖，才能計算出在一個時間間隔T內(nèi)車輛的實際行駛距離，攝像機(jī)垂直消抖原理如圖5所示，水平消抖原理如圖6所示?？紤]了垂直消抖的車速估算，見式（10），也考慮垂直與水平消抖的車速估算，見式（11）。

還需要考慮無人機(jī)自身飛行速度。因此，基于北斗差分定位測量無人機(jī)平行于車輛行駛方向的速度Vn，若與車輛同方向，則Vngt;0；若與車輛反方向，則Vnlt;0。因此，車輛速度最終估算見式（12）：

4 結(jié) 語

本文提出的無人機(jī)交通警察系統(tǒng)，融合了北斗差分定位、多無人機(jī)協(xié)同、多角度違法抓拍與實時教育糾正等多項功能，為現(xiàn)代交通管理帶來了創(chuàng)新解決方案。該系統(tǒng)能實現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)控，自動完成交通違法識別、取證、固定證據(jù)和告知全流程，有效節(jié)約交警資源，并彌補(bǔ)了固定式電子眼的監(jiān)控盲區(qū)。未來，該系統(tǒng)有望在提升交通違法取證準(zhǔn)確性、改善駕駛員行為、增強(qiáng)交通安全意識等方面發(fā)揮巨大潛力。同時，其快速部署和應(yīng)急指揮能力也將在災(zāi)難事件中發(fā)揮關(guān)鍵作用，保障交通暢通和人員安全。因此，本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，有望為構(gòu)建有序、暢通、安全、綠色、文明的現(xiàn)代交通環(huán)境做出重要貢獻(xiàn)。

注：本文通訊作者為林宇洪。

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作者簡介：陳瑜烙（2003—），女，就讀于福建農(nóng)林大學(xué)交通工程專業(yè)，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

章程杰（2004—），男，就讀于福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，研究方向為機(jī)械工程。

林宇洪（1976—），男，碩士，碩士生導(dǎo)師，高級實驗師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

收稿日期：2024-04-02 修回日期：2024-05-15

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202210389004 X）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2023103890 09）