基于4G的無人機遠程巡邏系統*

謝相博，徐光輝，范凱鑫，肖映彩，楊晗竹

(中國人民解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

基于4G的無人機遠程巡邏系統*

謝相博，徐光輝，范凱鑫，肖映彩，楊晗竹

(中國人民解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

近些年，在科研、工業、等眾多領域中，無人機巡邏系統開始擔負起現場勘查、遠程高空監視等任務。但是無人機與控制中心的通信部分一直是研究無人機的重點與難點，為解決無人機通信距離受限的問題，提出了基于4G的無人機遠程巡邏系統。本系統能夠實現無人機的遠程控制和數據采集，設計基本思路是基于4G無線通信網絡在無人機端、服務器端和地面控制端的相關硬件平臺上進行軟件開發和設計。實際飛行結果表明，該系統不僅能實現遠程飛行控制而且能顯示清晰的監控視頻和準確的飛行狀態信息，在未來電路巡檢、物流傳輸、高空監視等領域具有重要的實用價值。

4G；遠程監控；無人機; 視頻傳輸

0 引 言

近幾年，民用無人機市場發展迅速，小型無人機由于構造簡單、操作簡易，在高空航拍、電力巡檢、邊防巡邏、安全監控等領域發揮了很好的作用。但是現有的無人機系統主要是采用wifi或者射頻進行控制以及視頻傳輸，操作距離受到限制。然而近幾年4G移動通信技術飛速發展，它具有高速數據傳輸，高移動性支持能力，以及快速部署等優勢[1]。4G通信的理論下載速率已經高達每秒100 Mb/s[2]，使用4G來實現無人機的遠程巡邏監控成為可能。

1 系統整體框架

本系統在整體結構上由無人機端、服務器端、地面控制端三部分組成，如圖1所示。

(1)無人機端。無人機端搭載一臺Android平臺的4G手機，它一方面接收來自服務器端的遙控信息，并通過藍牙轉發給無人機，控制無人機執行相應的操作；另一方面，將飛控板上的傳感器信息和手機拍攝的實時視頻下傳，實現地面端的態勢感知。

(2)服務器端。服務器端的主要功能是實現控制信息、姿態信息、視頻數據的轉發。其中控制信息是上行通道，姿態信息和視頻信息是下行通道。

(3)地面控制端。地面控制端包括電腦和遙控手柄。遙控手柄通過USB口連接到電腦上，電腦解析來自手柄的控制信息，組包后通過服務器轉發給無人機端的Android手機。地面端還可以實現無人機航拍實時視頻的顯示、無人機狀態(高度、經緯度、方向等)指示和無人機的位置在地圖上顯示等功能。

圖1 系統整體結構

2 系統硬件結構

本系統選擇了Phantom 2四旋翼無人機，飛機下方搭載Android系統手機，一方面拍攝視頻并下傳到地面控制端，另一方面接收地面控制端的控制命令實現遠程控制。由于手機本身沒有I/O口可直接控制飛機，因此考慮手機和無人機之間采用藍牙進行通信，為此，本系統給無人機增加了一個HC-05主從一體式藍牙模塊和一個tNano FPGA開發板，用來實現控制命令的傳輸與解析。

2.1 藍牙收發模塊

本系統采用的HC-05主從一體式藍牙模塊，是目前使用最為廣泛的一款實現無線收發傳輸的藍牙模塊。內置2.4 GHz天線(無需用戶調試)，外置8M FLASH，工作電壓3.3 V(3.1 V～4.2 V)，工作電流不大于50 mA，發射功率3 dBm，具有體積小、功耗低、高性能無線收發的特點。

藍牙通信范圍大約9 m，數據傳輸速率最高可達1 Mb/s。系統采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸，可以實現手機把控制命令發送給無人機同時接收無人機的狀態信息。

2.2 FPGA模塊

本系統采用友晶公司的tNano FPGA開發板，tNano設計小巧，用戶可以方便地訪問和控制不同的外部設備。本系統使用tNano控制藍牙模塊實現手機和無人機的通信。無人機原有的云臺為tNano提供了5 v的供電接口。

3 系統的軟件設計

本系統軟件設計主要圍繞無人機端、服務器端、地面控制端三個部分開發。

3.1 無人機端軟件開發

無人機上裝配有藍牙模塊、FPGA模塊以及Android系統手機，主要完成控制命令接收轉發和解析、視頻傳輸、飛行姿態傳輸等功能。

3.1.1 控制命令接收、解析和轉發

地面控制端的控制命令是通過服務器轉發給無人機端的，二者之間通過TCP連接建立的數據傳輸通道傳遞控制命令。控制命令的接收、解析、轉發過程是在無人機端Android系統手機的程序中完成。程序設計的流程圖如圖2所示。

圖2 控制命令接收、解析與轉發

程序首先打開手機的藍牙設備，然后在一個單獨的子線程中通過無人機上藍牙模塊HC-05的硬件地址與其建立連接，連接成功后即可通過藍牙數據傳輸通道給無人機發送數據。

為了實現控制命令的可靠傳遞，需要無人機端與服務器通過TCP建立可靠的數據傳輸通道，這個過程可以用Java的Socket編程來實現。通過Socket類創建一個Socket對象并傳入服務器域名、服務器綁定的端口號，就可以向服務器發送一個TCP連接請求[3]。服務器接收到客戶端的請求后，會創建一個Socket用于與客戶端的通信。服務器與客戶端的數據交換放在一個單獨的線程中，通過讀寫InputStream、OutputStream來實現[4]。收到地面控制端的控制命令數據包后，程序根據數據包的組包協議格式把命令解析出來，然后把命令通過藍牙轉發給無人機，之后無人機執行相應的動作。

3.1.2 視頻傳輸軟件設計

視頻傳輸系統的結構示意圖如圖3所示。在本系統中，無人機端Android系統手機通過攝像頭獲取原始視頻數據，然后采用H.264硬件壓縮編碼，編碼后的每一幀數據都被添加一個RTP協議報文頭，形成RTP數據報文，然后數據報文通過UDP協議傳輸給流媒體服務器[5-6]。在實時視頻傳輸過程中，由于RTP協議無法保證服務質量，也沒有流量和擁塞控制，所以采用實時流傳輸協議RTSP來建立和控制會話，并在數據傳輸過程中進行相應的流量和擁塞控制[6]。開始視頻傳輸后，無人機端將視頻流發送給流媒體服務器，服務器建立一個通道對外提供服務。如果有遠程客戶端請求這個通道的服務，服務器在建立與客戶端的會話連接后，就會將該通道的實時視頻數據發送給客戶端。

圖3 視頻傳輸系統結構示意

視頻傳輸過程中用到的傳輸協議介紹如下：

RTP(Real-time Transport Protocol)，實時傳輸協議，是一個網絡傳輸協議。該協議詳細說明了在互聯網上傳輸音頻和視頻數據的標準數據包格式，為數據提供了具有實時特征的端對端傳送服務。

RTSP(Real Time Streaming Protocol)，實時流傳輸協議，是一個應用層協議，用來流式傳輸實時多媒體數據比如音頻或視頻。RTSP用于在客戶端和服務器之間建立一個實時流會話。

RTMP(Real Time Messaging Protocol)，實時消息傳送協議，是Adobe Systems公司為Flash播放器和服務器之間傳輸多媒體數據開發的開放協議。在系統中，RTMP被用于Flash播放器從服務器獲取視頻流數據的過程中。

在視頻傳輸軟件中我們添加了視頻參數設置的功能，經過多次實驗檢測，在兼顧清晰度、流暢度、流量控制等因素的同時，搭配了以下6種可選參數，如表1所示。

表1 視頻參數選項

3.2 地面控制端軟件開發

3.2.1 無人機實時位置監控系統設計

為了能夠實時地監控無人機的飛行位置，我們設計了無人機實時位置監控系統。該系統借助高德地圖提供的JavaScript API，實現了在網頁地圖上監控無人機的實時位置的功能,見圖4。

無人機端程序將無人機的GPS數據通過HTTP通信方式實時地發送給服務器，服務器收到GPS數據后將數據保存到MySQL數據庫中。同時服務器對外提供Web服務，客戶端要進入系統的監控界面只需要通過瀏覽器訪問服務器上相應的網頁。客戶端網頁定時地向服務器請求無人機的GPS數據，服務器收到請求后從數據庫中調出最新的無人機GPS數據然后發送給客戶端。客戶端根據請求到的GPS數據，通過高德地圖提供的JavaScript API在地圖上顯示無人機的位置。服務器和客戶端之間的數據交互采用AJAX技術，以實現在不刷新整個網頁頁面的前提下實時地更新無人機的飛行位置。

圖4 無人機實時位置監控系統效果

3.2.2 地面控制端控制命令發送程序

地面控制端控制命令發送程序的作用是讀取遙控手柄的輸入數據，然后封裝成一定格式的數據包，再將數據包通過基于TCP連接的專用數據通道發送給服務器，通過服務器轉發給無人機端。程序設計的流程如圖5所示。

圖5 地面端控制命令發送程序流程

程序初始化完成后，會檢查遙控手柄是否已成功接入電腦，如果沒有則提示用戶先接入。用戶點擊連接按鈕后，程序通過服務器的域名獲得服務器的IP地址，然后根據IP地址與服務器建立TCP連接。連接成功后，程序等待手柄的數據輸入，有數據輸入就把輸入的數據通過特定的格式組成數據包，然后把數據包發送給服務器。

遙控手柄的輸入數據由DirectX提供的接口提供。DirectX是由微軟公司創建的多媒體編程接口，采用C++編程語言實現，支持多種輸入設備。其中的Microsoft DirectInput API為本系統所用的遙控手柄提供編程接口。

4 系統實驗結果

經過實際飛行實驗，我們對視頻傳輸效果和飛行控制實時性進行了測試和分析，視頻參數選擇了640*480、30fps、3 000 kb/s，結果表明地面控制端看到的實時畫面清晰流暢，但是由于手機攝像頭采集視頻信息后要經過硬件壓縮、數據封裝、4G傳輸一系列過程，因此使視頻傳輸產生了2～3 s的時延。因為應用場合的特殊性，2～3 s的延時并不影響本系統的使用效果。另外，因為控制指令的數據量較小，因此實時控制效果良好。

通過觀察網頁地圖GPS信息我們發現，地圖上標注的運行軌跡和顯示的GPS信息存在輕微偏差，我們通過多個GPS定位系統的設備多次測量修正地圖軌跡和狀態信息，最終結果滿足系統要求。圖6為本系統總體效果圖。

圖6 系統整體效果

5 結 語

本文提出了一種基于4G的無人機遠程巡邏系統，在此基礎上完成了系統分析、軟硬件的設計等內容。經過多次實際運行、測量，該系統參數準確，性能穩定，工作正常，并清晰地接收到無人機傳輸的視頻數據和定位無人機飛行位置，達到設計目的與要求。本系統采用4G無線通信網絡，這是與市場上流行的射頻圖傳和數字電臺顯著不同之處。今后，只要有4G網絡的地方，就可以隨時隨地對目標區域進行監控巡邏，簡便易用，達到“足不出戶，便知千里”的效果。

[1] 張雷，許飛，隋天宇. 4G移動通信技術在戰術通信中的應用研究[J].通信技術，2015，48(04):423-429. ZHANG Lei, XU Fei, SUI Tian-yu. Application of 4G Mobile Communication Technology in Tactical Communication System[J]. Chengdu: Communications Technology, 2015，48(04):423-429.

[2] 馬骉. 4G通信技術及其應用前景分析[J]. 北京:中國新通信, 2014(08):71-71. MA Biao. Communication Technology and Its Application Prospect[J].Beijing:China New Communication, 2014(08):71-71.

[3] 曹大有, 張斌. 通過Java Socket建立連接類實現與Web服務器的交互操作[J]. 福建:福建電腦, 2007(01):192-192. CAO Da-you, ZHANG Bin. Achieving Interactive Operation with Web Server by Establishing Connection Classes with Java Socket [J]. Fujian: Fujian Computer,2007(01):192-192.

[4] 李剛. 瘋狂Android講義[M]. 北京：電子工業出版社，2013：676-680.

LI Gang. Crazy Android Lecture[M]. Beijing：Electronics Industry Press，2013：676-680.

[5] 宋強, 齊貴寶, 宋占偉. 基于Android系統的H.264視頻監控設計[J]. 長春：吉林大學學報，2012，(03):272-278. SONG Qiang, QI Bao-gui, SONG Zhan-wei. Design of H.264 Video Monitoring based on Android System[J]. Changchun: Journal of Jilin University,2012，(03):272-278.

[6] Bailey J M. Live Video Streaming from Android-Enabled Devices to Web Browsers[J]. Dissertations & Theses - Gradworks, 2011.

UAV Remote Patrol System based on 4G

XIE Xiang-bo，XU Guang-hui，FAN Kai-xin，XIAO Ying-cai，YANG Han-zhu

(College of Communications Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 2100007, China)

In recent years, the UAV patrol system has been undertaking site surveying, remote high-altitude surveillance and so on in scientific research, industry, and many other fields. However, the communication section of between UAV and the control center is always been a research focus and knotty point. In order to solve the problem of limited communication distance of UAV, a UAV remote patrol system based on 4G is designed. This system implements the remote control and data acquisition via 4G network. The basic idea is to carry out software development and design on the related hardware platforms of UAV, the server and ground control terminal based on 4G network. Experiement results show that this system could complete the remote flight control and display clear surveillance video and accurate flight status information, and in the future would be of important practical value in circuit inspection, logistics transmission, high altitude surveillance and other fields.

4G; remote surveillance; UAV; video transmission

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.11.020

2015-06-17；

2015-10-08 Received date:2015-06-17；Revised date：2015-10-08

TP242.6

A

1002-0802(2015)11-1305-05

謝相博(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統設計；

徐光輝(1973—)，男，副教授，主要研究方向為嵌入式系統設計；

范凱鑫(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為數模混合集成電路設計；

肖映彩(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統設計；

楊晗竹(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向為衛星通信。