基于3G網絡的多旋翼無人機安防監控設計研究

姜　成，李　旭

（湖南農業大學 工學院，湖南 長沙　410128）

基于3G網絡的多旋翼無人機安防監控設計研究

姜成，李旭

（湖南農業大學 工學院，湖南 長沙410128）

文章針對目前城市安防監控體系建設的不完善，設計了一種無人機實時智能安防監控系統。系統利用無人機航行坐標自主巡航采集視頻圖像，通過3G網絡將數據傳輸給地面控制終端計算機，終端計算機則通過對比識別完成智能監控。系統具有速率高、機動性能好和智能化程度高的特點，具有較高的應用價值。

安防監控；無人機；自主巡航；3G網絡；智能監控

城市安防監控體系是維護城市及公民人身財產安全的重要設施。目前我國大多數城市的安防監控體系多以安裝固定攝像頭以及人工監控為主，存在以下不足：由于城市規劃“滯后”、違規建筑等原因導致監控盲區多；監控智能化程度低導致人力資源耗費大；對緊急事件的監控反應不及時。使得城市及公民人身財產存在很大的安全隱患。為此，文章嘗試設計了一種基于3G移動網絡的多旋翼無人機安防監控系統，作為現有安防監控體系的有益補充。該系統以3G網絡連接地面控制終端計算機和無人機，無人機通過接收控制終端計算機的航行坐標及GPS與MIMU松組合導航系統的導航實現自主巡航監控，并向終端計算機實時傳輸現場監控畫面，終端計算機則通過稀疏編碼去噪、ICA盲分離算法實現不同語音的提取，并進行對比識別“求救”語音信號，當對比出“求救”信號后，計算機則自動報警，以便監控人員及時處理。

1　總體設計方案

圖1　總體系統框圖

為達到實時智能機動監控及自動識別預報警的目的，就必須實時采集現場音像并通過控制終端計算機進行智能控制。根據這一系統功能要求，系統應包括以下幾個模塊：控制終端計算機、3G無線數據傳輸模塊、中央處理器模塊、電機模塊、定高模塊、音像采集模塊、導航模塊、姿態模塊。其總體系統框圖如圖1所示。

2　系統硬件設計

（1）中央處理器模塊。中央處理器模塊采用OMAP5910來實現。OMAP是TI公司推出的專門為支持第三代（3G）無線終端應用而設計的應用處理器體系結構。OMAP5910采用MCU+DSP雙內核架構，采用獨特的雙核架構，把高性能低功耗的DSP和與控制性能強的ARM微處理器結合起來，具有集成度高、硬件可靠性和穩定性強、速度快、數據處理能力強、功耗低、開放性好等優點。由兩個獨立的組件來完成應用處理任務，其中MCU負責支持應用操作系統并完成以控制為核心的處理器；而DSP則負責完成多媒體信號的處理。與單核相比，其可使操作系統的效率和多媒體代碼的執行更加優化并延長電源壽命；同時其雙處理器可將工作負荷進行合理劃分，從而降低工作頻率，使系統的功耗降至最低，成功實現了性能與功耗的最佳組合。

（2）無線通信模塊。為減少無人機通信設備的成本，以及考慮到現有3G網絡的逐漸完善，無線通訊模塊選用華為公司生產的EM770W。EM770W作為華為生產的3G無線上網模塊，采用通用的Mini PCI Express接口，包括有電源接口、DART接口、輸入輸出音頻信號接口、USIM卡信號接口、高速USB2.0接口、PCM接口、天線接口等52個引腳在內的接口。此無線模塊中的3G部分是采用WCDMA制式的，它比中國移動的TD-SCDMA、中國電信的CDMA2000具有更快的網絡傳輸速度，支持的業務功能多且覆蓋范圍廣，更有利于實時的視頻傳輸及無人機控制。

（3）定高模塊。系統中的定高模塊選擇URM06-ANALOG超聲波測距模塊與MS5611氣壓傳感器相結合，以達到無人機低空安全飛行的精準定高、障礙物規避和高空飛行定高的要求，同時URM06-ANALOG可在飛行初始根據實際情況矯正因不同環境導致的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計，測量距離可達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，分辨率可達到10cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位∑模數轉換器（工廠校準系數）。

圖2　GPS/MIMU松組合原理圖

（4）導航模塊。導航部分采用GPS與MIMU松組合導航，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、高靈敏度的優點，可以準確快速的獲取位置數據。HMR3000數字羅盤用于測量地球磁場的方向和大小，并具有補償磁場干擾的功能，將獲得的磁場數據傳送到飛控系統實時解算機體的航向角。

（5）姿態模塊。無人機姿態的獲取采用LPMS-B新型高精度超小型姿態動作捕捉傳感器。LP-RESEARCH公司的姿態傳感器LPMS-B使用了先進的數據融合算法，為用戶提供高精度高穩定性的姿態動作信息以及3軸加速度、角速度、地磁量、方位角等數據，長時間無漂移，無積累誤差。

表1　高清網絡攝像機參數表

（6）音像采集模塊。根據具體巡航監控情況出發，攝像頭可選HIKVISION智能旋轉攝像頭（DS-2DC5220IW-A），420紅外網絡小半球攝像頭（WB09_JJ-SXQIR-LN420X）、高清網絡攝像機（WB09-GQ-SXJI-CNSOOW）以及其它攝像機的類型，可同時支持紅外、可見光等多種類型圖像的監控，同時基于陀螺儀角度及位移校正并采用優化的運動矢量估計與提取算法，提升相機影像清晰度。以高清網絡攝像機參數為例加以說明，WB09-GQ-SXJI-CNSOOW的參數如表1所示。

（7）電機模塊。電機模塊采用集成芯片L293D驅動T-MO TOR的MT3515KV400直流無刷電機，并通過PWM控制電機轉速。L293D是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。其額定工作電流為1A，最大可達1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達36V；Vs電壓最大值也是36V。

（8）控制終端計算機模塊。利用已有的計算機及服務器安裝相關控制軟件，通過3G網絡對遠端數架無人機實行遠程控制及接收實時監控畫面。

3　無人機運動控制過程

本系統的導航系統融合GPS模塊和數字羅盤。為實現可視化導航系統，可借助控制終端計算機加載的數字地圖設定航線。在多旋翼未起飛之前先在地面站預設總航線，控制終端計算機根據總航線科學合理設計各個無人機的分航線，將航線信息通過3G數傳模塊傳送給無人機控制器。在自主導航開啟后，主控板將利用GPS模塊提供的經緯度、高度、時間、數字羅盤提供的飛行航向和存儲器中存儲的預定飛行航線等數據信息計算飛行器的偏航量來控制飛行器的偏航。在無人機自主飛行過程中，控制終端計算機會隨時根據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飛行監控，以此達到飛行監控路線不可測的目的。在緊急情況下，無人機可手動遙控飛行，飛行數據實時傳輸顯示在計算機上。

4　安防監控智能識別過程

圖3　視頻壓縮編碼流程圖

無人機通過DSP將監控的實時音像數據壓縮，并以3G網絡傳回控制終端計算機，視頻編碼壓縮流程圖如圖3所示。控制終端計算機針對無人機現場發回的音像數據中的語音信號首先采用稀疏編碼去噪技術對帶噪觀測混疊語音分別進行預消噪處理，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行分離，從而得到各個語音源信號的估計（如圖4所示），接著與數據庫中的多種“求救”語音信號進行對比識別，當識別出“求救”信號時，計算機會發出警報，并自動投影現場畫面，以便監控人員甄別處理。

圖4　基于稀疏編碼和ICA的帶噪混疊語音盲分離案

5　結語

文章主要完成了基于3G網絡的無人機安防監視系統的硬件設計及智能機動監控、自動識別預報警的實現策略。該系統采用的模塊結構新穎、性能穩定、可靠性高；功能實現策略新穎、簡單、有效。能有效解決監控盲區多、監控智能化程度低、人力資源耗費大、對緊急事件的監控反應不實時等的安防監控問題。在城市安防監控領域具有廣闊的市場前景。

［1］尹濤烽，以新型城市監控報警體系構建智慧城市［J］.甘肅科技縱橫，2013，42（6）：11-13.

［2］杜顯豐，蘇宛新.雙內核嵌入式處理器OMAP5910及其在第三代無線終端領域的多媒體應用［J］.國外電子元器件，2004，（12）：52-54.

［3］張勤，何維，李潛杰等.基于3G的雙模遠程視頻監控系統設計［J］.視頻應用于工程，2009，33（8）：95-98.

［4］仇立成，姚宜斌，祝程程.GPSINS松組合與緊組合的實現與定位精度比較［J］.測繪地理信息，2013，38（3）：16-18.

［5］李運堂，馬亮，賈宇寧.四旋翼飛行器的自主巡航控制系統設計［J］.計算機測量與控制，2015，23（10）：33631-3363.

［6］李標.基于LPMS-B的機器人末端姿態檢測試驗研究［D］.南寧：廣西大學，2015.

［7］趙彩華.帶噪混疊語音信號盲分離方法研究［D］.濟南：山東大學，2006.

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改革研究項目（湘教通［2015］291號）

姜成（1994-），男，湖南邵陽人，大學本科，主要研究方向：機械電子工程。