邱舒怡 李玄

（中國電子科技集團公司第二十研究所 陜西省西安市 710075）

近年來，無人機成為研究和投資的熱點，由于其機動性能好、生存能力強、無人員傷亡風險、使用方便，已在多個行業領域得到了廣泛的應用。我國幅員遼闊、資源豐富，在國土資源管理中可利用無人機飛行機動、快速、覆蓋范圍大、環境適應性強的特點，迅速深入惡劣環境對地表目標做出進一步評估，為相關決策部門快速取得詳實地表影像資料、航拍數據等一手監測與評估資料提供保障，為處理決策工作提供重要的依據。

1 無人機巡查系統架構

無人機巡查系統由無人機平臺、地面站和服務器端構成。系統總體設計圖如圖1所示。無人機平臺包括機體結構、飛行管理控制系統、導航系統、航電系統、動力系統、燃油系統、電氣系統和起降系統。地面站是地面操作人員直接與無人機交互的渠道，具備本地化對無人機飛行平臺和任務載荷進行監控和操縱的能力；在本系統中地面站還實現了無人機平臺姿態信息、視頻數據的轉發。服務器端通過接收解析來自地面站的無人機相關監視數據，實現無人機航拍實時視頻的異地直播、無人機狀態(高度、經緯度、方向等)在地圖上異地監視等功能。

無人機姿態信息可由UDP協議在地面站通過轉化插件進行轉化，再由Http持續更新至服務器；無人機航拍視頻經HDMI視頻采集卡輸入地面站后，在地面站轉碼推流至對應服務器可實現異地同步直播。

2 無人機巡查系統實現

2.1 系統主要功能

2.1.1 飛行數據管理

飛行數據管理基于數據庫技術實現，使用Mysql做數據庫服務器。基于該系統實際需求，飛行數據主要包括飛行任務信息和航跡信息，可實現對數據庫中數據進行查詢、新增、批量上傳、修改、刪除、批量刪除等操作。

飛行任務信息表（圖2）中主要存儲任務的目標區域、任務創建的時間，任務執行狀態以及任務的類型(拍照或視頻)等信息。

航跡信息表（圖3）中主要存儲各任務中無人機的姿態信息，包括經緯度、高度、航向等。2.1.2 無人機姿態信息解析

主要實現將原始無人機姿態信息解析并轉換，發送到指定服務器，以一定的標準接口保存到給定的任務序號中。無人機姿態信息解析的重要性體現在為無人機飛行數據的重現、應用提供了完善、詳實、準確的飛行數據[1]。通過UDP接收從地面站轉發來的無人機自身的遙測數據幀，并從中提取必要的無人機姿態信息，以POST方式發送到數據服務器的指定接口。遙測數據幀一般有五部分，包括姿態角、速度、高度等；機體數據，如電壓、轉速、溫度、控制模式等；GPS位置、GPS時間、距離等；指令數據；變長數據。無人機姿態信息解析模塊解讀轉發來的無人機遙測數據幀，從中提取經度、緯度、高度、時間、航跡編號、姿態角度等數據后，封裝對應的POST請求，通過HttpClient對象發送到數據服務器。服務器接收數據后追加到目標任務的航跡記錄中。

圖1：系統總體設計圖

圖2：飛行任務信息表

圖3：航跡信息表

無人機姿態信息解析流程如圖4所示。

2.1.3 航跡可視化

基于三維地圖模型實現不同航程的航跡曲線繪制，以模擬真實環境中的巡查過程，使無人機巡查記錄看起來具有空間感、立體感，生動的反映無人機飛行模態的轉變過程，便于飛行人員通過相關參數從整體上把握無人機飛行的變化趨勢。航跡可視化示意圖如圖5所示。

2.2 無人機異地監視實現流程

以無人機異地監視需求為背景，傳統數據鏈只能實現可通訊距離內的本地直播，一般是為地面飛行控制人員提供操作飛機的相關數據支持。但隨著無人機應用領域的擴大，在國土資源管理中，相關業務人員無法親臨飛行操控現場，但是仍然有實時觀看航拍視頻的需求。無人機異地監視需要轉發的內容包括兩部分，一部分是無人機自身飛行的姿態信息，一部分則為無人機載荷所記錄的航拍視頻。

關于無人機飛行姿態信息的實時轉發，主要是從無人機地面控制站接收無人機的位置和姿態等信息，解析并轉換發送到指定服務器，保存到給定的任務序號中。主要流程如下：

（1）無人機起飛后，地面站轉發UDP形態的遙測數據到無人機姿態信息解析模塊；

（2）無人機姿態信息解析模塊進行解析，構造HTTP請求發送到服務器；

（3）服務器解析并保存對應航跡點信息到指定任務。

無人機異地監視實現流程圖如圖6所示。

關于無人機航拍視頻的實時轉發，為保障通訊的可靠性，在無人機和地面站之間依然沿用數據鏈來傳送視頻，從地面站接收載荷攝像機的視頻流數據，經OBS直播工具，傳遞到流服務器，并在服務器轉換成HLS協議，提供RTMP/HLS訪問。

2.3 系統實驗結果

經過實際飛行試驗，我們對無人機姿態信息解析轉發和視頻傳輸效果進行了測試。地圖上標注的無人機運行軌跡與實際飛行基本一致，航拍視頻傳輸由于實際飛行地點的網絡傳輸速度有限，產生了2～3秒的時延，不影響本系統的使用效果。相關業務人員可通過本系統實時獲取國土資源的影像資料，實現對國土資源的動態監測，促進相關土地資源的有效利用。試飛示意圖如圖7所示。

3 無人機在國土資源管理中的應用

由于無人機具有體積小、質量輕、驅動力較強等特點，可以完美地完成國土資源的勘測任務。通過快速獲取無人機航攝數據，能夠快速掌握測區的詳細情況，應用于國土資源動態監測與調查、土地利用和覆蓋圖更新、土地利用動態變化監測、特征信息分析等，高分辨率的航空影像還可應用于區域規劃等[2]。

4 結束語

本文提出了一種基于異地監視的無人機巡查系統，完成了系統總體設計、功能設計、異地監視無人機的技術實現等內容。經過多次測試、實際飛行試驗，系統性能穩定、工作正常，可為遠在異地的業務工作人員提供一手的無人機姿態信息和航拍視頻。無人機因其獨特的優勢，將在國土資源管理中扮演一個重要的角色[3]。它提高了國土資源信息收集的速度及質量，節省了大量的人力、物力及財力，未來在確保無人機技術先進性以及系統功能完善性的同時，還需與國土資源管理相互結合，強化應用。

圖4：無人機姿態信息解析流程

圖5：航跡可視化示意圖

圖6：無人機異地監視實現流程圖

圖7：試飛示意圖