基于5G技術的無人機校園巡視系統的研究*

汪兵兵 ， 陳惠敏 ， 黨元曉 ， 王廣印 ， 沈佳琦

（昌吉學院航空學院，新疆 昌吉州 831100）

隨著科技水平的不斷提升，通信系統與技術得到了快速發展。5G通信技術具有使用范圍廣、能耗低、傳輸速度快等優點，被廣泛應用于社會生產、人們生活的各個領域。無人機作為一種無人駕駛飛機，被廣泛使用在農業、林業、畜牧業、漁業、消防、勘探、航拍等各個領域中。將5G技術與無人機技術組合起來并加以應用，已經成為社會的潮流，其發展空間和應用前景均無限廣闊。本文介紹了一種將5G技術與無人機技術結合起來用于校園安全檢查巡視的系統，通過5G網絡使無人機搭載的攝像機拍攝的圖像能夠快速回傳到指揮大廳，方便校園安保人員巡查。

1 無人機與5G網絡概述及應用

1.1 無人機介紹

無人機作為一種無人駕駛、飛行重于空氣的航空器（UAV），是一種主要通過無線電遙控設備或者自身搭載的程序控制設備操縱的不載人航空器[1]。無人機作為一種無人駕駛搭載電子設備的航空器，具有體積小、質量輕、價格低廉、攜帶方便等特點，已經在生活中的各個方面被廣泛使用[2]。荊懷龍等[3]用無人機對丘陵果園種植中的病蟲害進行監測研究，發現采用無人機可以精準地監測果園病情；王帥[4]研究了無人機的遙感等相關技術在水利與災害防治等方面的應用，并提出了建設性意見。由此可見，無人機技術已經在人們生活中被大量使用。

1.2 5G網絡技術及其發展

5G作為第五代通信技術，具有傳輸速率高、延時低、應用場合廣泛等優點，已經被廣泛運用在人們日常生活中，與現有的4G通信技術相比，5G通信技術在網速傳輸方面的能力遠遠高于4G通信技術。同時，5G通信率先使用云RAN和虛擬RAN的新架構并融合多種技術，在性能上遠遠超過2G、3G、LTE、LTE-A、Wi-Fi、M2M等技術[5]。

2013年2 月歐盟開始計劃推進5G移動技術發展，我國于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推進領導小組，2016年1月我國5G技術研發正式開始，2016年5月31日在北京召開第一屆全球5G大會，2017年11月我國開始進行5G技術研發試驗第三階段測試，2018年2月華為推出首款5G商用芯片[6]，2019年6月工信部向中國移動等四家通信廠商發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。自此以后，我國開始進入5G技術應用高速發展時期。

1.3 無人機+5G應用

5G移動通信技術具有其獨特的通信特點，在生活中的很多場合被廣泛運用，越來越多的人將無人機與5G技術結合起來使用，在生活中形成了一種“5G+”的使用潮流。

徐海奇等[7]研究了基于5G技術的變電站無人機巡檢解決方案，進一步促進電網監控、巡檢作業向著智能化、可視化、高清化的方向發展，很大程度上提升了供電設備的檢查效率。

李寧[8]分析了5G 技術在警用無人機應用中的優勢，認為將5G技術運用在警用無人機上能夠在一定程度上解決現階段無人機數據傳輸速率寬帶低、覆蓋空域小等難題，提高公安機關辦案效率，解決警力不足等問題。

潘偉[9]為解決市中心湖泊水體任意垂釣問題，將5G技術、AI技術和無人機相互融合一起，通過AI為無人機賦能，利用無人機不定期巡航實現相關區域水體保護。

本文將現有5G技術與無人機技術組合搭建出了一款無人機校園巡視系統，以期為校園安全提供服務。

2 5G無人機的原理及硬件搭建

2.1 5G無人機設計原理

本文所設計的系統平臺主要使用5G傳輸模塊作為一個數據傳輸端口，設備搭載樹莓派作為機載電腦實現數據處理，采集機載攝像機所拍攝的圖片，最終通過網絡形式傳送到電腦等地面站，通過GPS模塊完成設備定位功能，如圖1所示。

圖1 設計原理圖

2.2 5G無人機硬件平臺

根據需求，在現有650無人機的基礎上安置5G模塊平臺，如圖2所示，其主要包括5G通信鏈路、微型機載計算機、單目攝像頭、PIX4飛控板和無人機基礎結構。

圖2 硬件平臺搭建

2.2.1 5G通信鏈路

課題組采用SIM8200EA-M2 5G模組實現無人機配網，如圖3所示。該模塊是基于高通驍龍X55平臺，可支持多頻段3G、4G、5G上網，可用于打電話、發短信、云平臺通信等。該設備搭載USB3.1接口，可用于測試AT指令；背部設置SIM卡槽可用于移動卡安裝，即可以完成數據通信的搭建，借助5G傳輸模塊可以完成圖像的高速傳送。

圖3 SIM8200EA-M2

2.2.2 微型機載計算機

課題組采用最新樹莓派（Raspberry Pi）4B-8B為機載電腦，實現數據和網絡的傳輸，如圖4所示。機載設備內部放置信用卡大小的卡片式電腦，其系統基于Linux系統設置。樹莓派機載電腦底層是一個完整的Linux操作系統，并不像Android的底層只是一個精簡過的Linux嵌入式版本。該設備是一個開放源代碼的硬件平臺，平臺包含一塊具備I/O功能的電路板及Broadcom BCM2835 system on a chip(SoC)的ARM芯片。

圖4 樹莓派機載電腦

2.2.3 單目攝像頭

在圖像采集模塊，課題組選用英偉達77度800萬像素的IMX219單目攝像頭，如圖5所示。其具有焦距2.85 mm、光圈2.0、對角視場角79.3°、畸變＜1%等特點，基本可滿足圖像傳輸要求；同時還具有體積小、重量輕的特點，可進一步降低無人機飛行載荷。通過將圖像采集信號傳送到5G傳輸組件中，可實現通過網絡將圖像接入流媒體中。

圖5 IMX219單目攝像頭

2.2.4 Pixhawk2.4.8飛控板

飛控板選擇Pixhawk2.4.8控制器，如圖6所示。它是一個雙處理器的飛行控制器，可實現強大的飛行控制計算，其搭載32位STM32F427Cortex M4核心的168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash處理器，具有安全穩定等優點，現已被廣泛使用。

圖6 Pixhawk2.4.8飛控板

2.2.5 整體平臺搭建

課題組選用650無人機機架，搭載電調及四部電機驅動槳葉旋轉，通過設計5G整體模塊驅動設備飛行及圖像傳輸，基本可以實現無人機控制飛行及機載5G圖像傳輸，整機平臺如圖7所示。

圖7 整機平臺

2.3 圖傳數傳設置

2.3.1 5G網絡配置過程

1）設備網絡配置。課題組以SIM8200EA-M2 5G模組、樹莓派、PIX4作為5G數據傳輸的核心硬件，5G模塊使樹莓派配網，樹莓派通過串口與無人機飛控通信，實現無人機的5G數據鏈通信，最終達到5G通信的目標。

2）5G模塊驅動程序。選擇現有的5G模塊驅動，通過樹莓派聯網下載完成相關的驅動程序并安裝于機載計算機中。

3）配置網絡接口。通過已經下載好的驅動程序，運行ifconfig-a命令行，并檢查網絡配置情況，用配置好的網絡為后續上網提供基礎。

4）機載設備與終端通信。根據機載電腦與5G之間的相關搭建，根據AT測試其通信，將sudo apt-get install minicom與sudo minicom -D /dev/ttyUSB2命令行輸入測試，并得到OK結果，表示已完成終端通信。

2.3.2 圖像傳輸過程

根據網絡配置結果，對5G完成整體網絡配置，并通過機載電腦設置網絡流媒體，將攝像頭采集到的數據通過流媒體傳輸出去。在5G通信鏈路下，除了擁有更快的網絡，解決了局域網擁堵等問題，信號品質方面也會更好，更加省電，干擾也會更小。圖像傳遞系統由遠程服務器端、飛機端、地面中繼端和電腦/手機視頻控制端四個部分組成，將該5G模塊分別嵌入無人機飛機端和地面中繼端。

首先，使用ffmpeg進行圖傳，運行sudo raspiconfig使能攝像頭；其次，獲得rtmp地址和直播碼，通過樹莓派端執行，并輸入“rtmp地址/直播碼”；最后，鏈接已經配置好的5G網絡，運行終端指令，在rtmp端便可實時觀測無人機拍攝到的圖像。

2.3.3 數據傳輸過程

無線數據傳送[10]是采用數字信號處理，數字調制解調，并且具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數據傳輸技術。傳輸速率19.2 kbps，收發轉換時間10 ms，具有場強、溫度、電壓、飛行高度、衛星數量等指示，并且地面端可以通過數據傳送發送指令使其完成自主起降及路徑規劃。本文采用開源QGC地面站，網絡協議為無人機專用的MAVLINK通信協議，以此實現數據的實時傳輸。

3 平臺測試與分析

課題組將無人機與5G相結合完成校園巡視無人機的設計。該類型無人機為650四旋翼無人機，飛行過程中設定GPS飛行模式，飛機飛行中邊飛行邊回傳圖像，可對重點區域拍攝圖片及視頻。測試區域為學校區域，這一區域5G基站數量較少，因此實際傳輸過程中會存在一定延遲，大約為250 ms～300 ms；設定丟包率0.1%，因而回傳的圖像會存在一定模糊，大約5 s會出現馬賽克圖像，這一現象主要還是受5G基站影響，因此后期將選取5G信號相對強的區域進一步改進圖像回傳方案。

4 結語

課題組以無人機平臺與5G技術為背景，設計了一款“5G+”應用設備無人機校園巡視系統，該系統主要包含5G模塊、樹莓派機載電腦、GPS模塊、英偉達單目攝像頭和無人機基礎設備，基本實現了無人機一邊飛行一邊通過5G設備回傳圖像數據的目標。該設備的研發設計在工業互聯網等應用方面展開了一些探索，取得了一定成果，但也面臨著一些問題。首先，在數據傳輸等方面需不斷增加無人機載荷，但無人機機載載荷具有一定的限制，這樣只有選取大型無人機才能完成復雜方案；其次，5G設備傳輸中針對畫面傳輸占用的帶寬較大，這意味需要更多的數據流量完成視頻傳輸，因此比較費流量；最后，5G作為一種不斷發展的技術，其設備模塊組件費用較高，深入研究的研發費用相對較高。因此“5G+”應用技術在之后的使用過程中將有很大發展空間，后期將進一步優化無人機與5G技術的融合。