基于5G 網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳彥芳，張雄，李建輝，李永權(quán)

（東莞城市學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東東莞，523109）

0 引言

當(dāng)前世界上許多先進(jìn)國家已經(jīng)掀起了第一輪的5G 熱浪，全球的5G 技術(shù)發(fā)展正駛?cè)肟燔嚨?。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的持續(xù)與快速發(fā)展，5G 已成為服務(wù)大眾、改變社會、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的利器之一[1]。2018 年9 月，（5G)IMT-2020推進(jìn)組、中國信息通信研究院等有關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布《5G 無人機(jī)應(yīng)用白皮書》，從“無人機(jī)應(yīng)用場景和通信需求”出發(fā)，全面闡述了5G 網(wǎng) 聯(lián)無人機(jī)整體解決方案[2]。

隨著5G 正式商用，中國移動通信相關(guān)部門在5G 互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著巨大的優(yōu)勢，將5G 技術(shù)與UAV 技術(shù)進(jìn)行深度結(jié)合，搭建5G+無人機(jī)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的完整體系，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛運(yùn)用應(yīng)運(yùn)而生，這將不斷促進(jìn)社會的進(jìn)步和發(fā)展。

5G 網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的相關(guān)建設(shè)方面，各大運(yùn)營商都在抓緊布局，積極引入合作伙伴，開展云、端、網(wǎng)對接工作，構(gòu)建多級5G 網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)合作伙伴生態(tài)圈。針對應(yīng)急、公安、交通、城市管理等多個(gè)場景，與合作伙伴共同培養(yǎng)聚合能力、運(yùn)營能力、協(xié)同能力。中國移動發(fā)布首款前裝版無人機(jī)5G 通信終端“哈勃一號”，電信發(fā)布了首款無人機(jī)5G 機(jī)載邊緣計(jì)算終端，聯(lián)通發(fā)布了5G 無人機(jī)機(jī)載終端。雖然三者產(chǎn)品在價(jià)格、性能參數(shù)上略有差別，但是都在卡位5G 網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的市場。同時(shí)，民營企業(yè)也在各自的賽道上積極轉(zhuǎn)型，華為聯(lián)合運(yùn)營商積極拓展5G 網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)業(yè)務(wù)。大疆作為行業(yè)巨頭已與中國移動、中國電信打通5G 通信終端對無人機(jī)的遠(yuǎn)基于5G 通信技術(shù)的無人機(jī)立體覆蓋網(wǎng)絡(luò)白皮書11 程控制及數(shù)據(jù)回傳。垂起固定翼無人機(jī)企業(yè)成都縱橫以及多旋翼無人機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)四川一電甚至已經(jīng)與中國移動完成了5G 通信模塊的前裝及調(diào)試。

本文所研究的基于5G 網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)，相較于傳統(tǒng)的使用5.8GHz、2.4GHz 無線電頻率進(jìn)行圖像傳輸和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o人機(jī)[3]，能做到飛行范圍廣，視頻高清，圖傳遠(yuǎn)，低成本高速率，而且不易受到干擾。無人機(jī)工作時(shí)連接到所處地的5G 信號覆蓋的基站，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)和高清視頻圖像，并接收下載飛行數(shù)據(jù)等信息。在低延時(shí)高速率的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)控制下的無人機(jī)，相比傳統(tǒng)的遙控器控制能飛得更安全更遠(yuǎn)，圖像傳輸?shù)靡哺h(yuǎn)更清晰，甚至不受距離限制，在5G 信號所覆蓋之處，所巡視的信息一覽無余。本文獲得的研究方法和創(chuàng)新點(diǎn)可以應(yīng)用于街道巡視、城市管理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等場合，也對其他需要無人監(jiān)控的應(yīng)用場景有重要的研究價(jià)值和意義。

1 系統(tǒng)方案

無人機(jī)工作時(shí)，連接到所處的5G 信號覆蓋的基站，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)和高清視頻圖像，并接收下載飛行數(shù)據(jù)等信息，理論上可以達(dá)到飛行距離不受限制，從而可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)部署運(yùn)行。其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：無人機(jī)系統(tǒng)和5G 模塊橋接連接上當(dāng)?shù)鼗緩亩鴮?shí)現(xiàn)上網(wǎng)；用戶可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)；通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)高清視頻圖像直播；通過GPS、北斗、伽利略等多衛(wèi)星精準(zhǔn)定位實(shí)時(shí)反饋無人機(jī)所在位置；用戶可以通過Android、IOS、MacOS、Windows、Linux 等等任何可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備控制，從而達(dá)到更高的兼容性、方便性的目的[4]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，該系統(tǒng)由基于Arm 系列架構(gòu)的樹莓派zero 2w 作為主控模塊，搭載日海智能SIM8202G 作為5G 模組，攝像頭模組以O(shè)V5647 感光芯片為底板，采用基于8 位單片機(jī)Atmega2560 的ArduPilot作為開源飛控，并采用H303D 定位導(dǎo)航模塊上報(bào)信息到SSD 云盤。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本無人機(jī)使用的是45 英寸四軸無人機(jī)F450 作載體，該機(jī)型已流傳較久，配套方案齊全，方便搭載航拍拍攝設(shè)備，長軸臂適合放置5G 天線。硬件采用基于Arm 系列架構(gòu)的樹莓派zero 2w 作為主控芯片的核心板，主要由5G 模組供電電路、定位模塊、攝像頭模塊等組成。

■2.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樹莓派主控模塊電路原理圖如圖2 所示。

圖2 樹莓派主控模塊

主控系統(tǒng)最佳工作環(huán)境電壓是5V，峰值電流是3A。為了確保樹莓派能達(dá)到最佳性能，PCB 板不得不調(diào)大線寬、線距和采用挖孔式設(shè)計(jì)并配備散熱風(fēng)扇。為了確保飛機(jī)良好的載重性能，配備了F450 機(jī)型最佳的動力系統(tǒng)：1045 槳葉+950kV 無刷電機(jī)+20A 電調(diào)+4S25C2600mAh 航模鋰電池，4S 代表有4 塊3.7V 的鋰電池串聯(lián)，總電壓為14.8V，充滿電電壓為16.8V。電機(jī)空載時(shí)1V 電壓下的轉(zhuǎn)速是950轉(zhuǎn)/秒，16.8V 電壓時(shí)則是15960 轉(zhuǎn)/秒，根據(jù)鋰電池持續(xù)放電電流公式：

可得出本套動力系統(tǒng)持續(xù)放電的電流能達(dá)到65A，在最大載重時(shí)每個(gè)軸都能分配到16.25A，加上1047 寸大槳葉和20A 電子調(diào)速器的加持下，以確保足夠的拉力。

■2.2 5G 模組供電電路

5G 模組采用了massive MIMO 天線技術(shù)，要比4G、3G 模組使用更多的天線，而且每根天線都有自己的功率放大器，這也帶來了更大的功耗。表1 為課題所使用的SIM8202G 模組的電氣特性表[5]。

表1 SIM8202G模組電氣特性

因此5G 模組不能像4G 模組那樣可以依賴樹莓派上的USB 口供電了，否則這會拖低樹莓派的電壓，使樹莓派欠壓報(bào)警，影響主控性能后果不堪設(shè)想。所以需要采用一套穩(wěn)定在4.4V 以內(nèi)的大電流供電方案，這里使用的是帶有MP1482 降壓電路的轉(zhuǎn)接板。

該電路可以持續(xù)負(fù)荷2A 大電流，具有極好的負(fù)載和線性調(diào)整率?？梢栽?.2～18V 環(huán)境下工作并具有短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和過溫關(guān)斷保護(hù)。

■2.3 定位模塊

圖3 是定位模塊通過串口協(xié)議的接線圖，無人機(jī)位置信息上報(bào)采用的是H303D 定位導(dǎo)航模塊，該模塊是基于低功耗芯片AT6558D，即便是在地理環(huán)境復(fù)雜，衛(wèi)星定位信號偏弱的地方都能實(shí)現(xiàn)精確定位，定位精度在5M 以內(nèi)。支持串口、I2C、SPI 和USB 這幾種通信協(xié)議。天線采用的是陶瓷天線和LAN 芯片，串口默認(rèn)波特率為9600，模塊默認(rèn)以串口形式發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)也可通過串口協(xié)議連接，對定位模塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖3 定位模塊接線圖

H303D 定位導(dǎo)航模塊默認(rèn)是使用NMEA 0183 協(xié)議的，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀頭一般如表2 的格式。

將使用的是數(shù)據(jù)幀以 “$GPRMC”開頭的定位報(bào)文。根據(jù)NMEA 0183 協(xié)議格式從該定位報(bào)文中提取當(dāng)前的坐標(biāo)經(jīng)度緯度。

■2.4 攝像頭模塊

攝像頭模組以O(shè)V5647 感光芯片為底板，可達(dá)2592×1944 分辨率。采用CSI（相機(jī)串行接口)接口與樹莓派通信，通過數(shù)據(jù)差分信號傳輸視頻中的像素值。CSI 接口可以靈活地根據(jù)相機(jī)的陣列自動調(diào)整線差分時(shí)鐘線和差分?jǐn)?shù)據(jù)信號的組數(shù)來實(shí)現(xiàn)攝像頭數(shù)據(jù)傳輸。如此能減少樹莓派CPU 的負(fù)載，也可以提高傳輸速率，即使是大陣列的CCD 相機(jī)也能滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

同時(shí)也集成了CCI（相機(jī)控制接口)，能廣泛兼容現(xiàn)有處理器的I2C 接口從而實(shí)現(xiàn)主設(shè)備對從設(shè)備的控制。CSI 攝像頭接口圖如圖4 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 總體軟件設(shè)計(jì)流程

軟件功能流程圖如圖5 所示?？刂贫司W(wǎng)頁主要采用GitHub 上開源框架network-rc[6]，該框架由后端語言Node.js 編寫，node.js 是一個(gè)能運(yùn)行在服務(wù)器端的JavaScript 開源代碼。Node 采用谷歌開發(fā)的V8 引擎運(yùn)行js 的代碼，具有輕量和高效的特性。常用于搭建易于擴(kuò)展和響應(yīng)速度快的應(yīng)用。一般的網(wǎng)頁都是上發(fā)給訪問客戶，最終在客戶端瀏覽器上運(yùn)行，但node.js 是在所掛載它的樹莓派系統(tǒng)上直接運(yùn)行，所以可以直接進(jìn)行對樹莓派操作。

圖5 軟件功能流程圖

瀏覽器端和服務(wù)器端通過在單個(gè)TCP 連接上進(jìn)行全雙工通信的一種協(xié)議websocket 來實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)和位置信息交互，一次握手就可以持久連接并進(jìn)行雙向傳輸數(shù)據(jù)。該協(xié)議也被很多聊天小程序所使用的。圖傳視頻的視頻流主要由ffmpeg 工具壓縮成h264 格式后通過網(wǎng)頁實(shí)時(shí)通信webrtc的API 傳輸，在瀏覽器上只需要提前將JavaScript 配置完成就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)音視頻通訊。

■3.2 5G 模組配置

5G 模組上網(wǎng)配置流程如圖6 所示。5G 模組上網(wǎng)形式是采用RNDIS（網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序接口規(guī)范)撥號上網(wǎng)，基于USB 上實(shí)現(xiàn)RNDIS 實(shí)際上就是TCP/IP over USB，就是在5G 模組上運(yùn)行TCP/IP，讓5G 模組看上去像一塊網(wǎng)卡，采用模組開發(fā)公司芯訊通配套的Linux 內(nèi)核文件，下載并編譯內(nèi)核驅(qū)動使用。因?yàn)槊看侮P(guān)電源后啟動沒有記憶功能，都要重新配置RNDIS 撥號，所以要配置開機(jī)自啟動腳本。

圖6 5G 模組上網(wǎng)配置流程

■3.3 定位功能流程

定位流程如圖7 所示，采用雙模組定位，m8n 定位模塊負(fù)責(zé)飛控的定位和航向規(guī)劃，m6n 定位模塊負(fù)責(zé)給網(wǎng)頁控制端提供位置信息，因?yàn)槎ㄎ荒K發(fā)送的信息報(bào)文是基于NMEA 協(xié)議，所以通過Python 語言編寫位置NMEA 協(xié)議數(shù)據(jù)處理腳本，樹莓派通過串口讀取，將定位模塊發(fā)出的經(jīng)緯度報(bào)文（WGS84 格式)最終轉(zhuǎn)換成高德地圖使用的加密方案火星坐標(biāo)系（GCJ02 格式)，并通過高德地圖API 上發(fā)，最后在樹莓派開機(jī)自動運(yùn)行的系統(tǒng)腳本文件里面添加執(zhí)行該P(yáng)ython 文件的命令，達(dá)到樹莓派系統(tǒng)開機(jī)便可自動啟動該文件的目的。

其中定位模塊報(bào)文樹莓派端口接收處理的部分代碼如下：

4 系統(tǒng)功能測試

無人機(jī)的整體實(shí)物圖如圖8所示，為其設(shè)計(jì)的單軸緩沖防抖云臺3D 設(shè)計(jì)圖如圖9 所示。

圖8 無人機(jī)整體實(shí)物圖

圖9 單軸緩沖防抖云臺3D 設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)完成后，測得整機(jī)重量達(dá)1720g，幾乎達(dá)到了F450 機(jī)型的極限載重，原本采用的大疆980kV 的2212 無刷電機(jī)配9450自鎖槳，但是拉到極限油門也無法使飛機(jī)離地。后來采用950kV的2216 無刷電機(jī)配1047 自鎖槳，采用4S 鋰電池，單個(gè)電機(jī)的極限拉力能達(dá)到1100g。如此飛行器的安全極限可根據(jù)以下公式：

W=F(單個(gè)電機(jī)極限拉力)×軸數(shù)×2/5 式(2)

可得到飛行器安全極限載重1760g，故而可以實(shí)現(xiàn)起飛。

由于本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)與個(gè)人搭建直播平臺有一定的關(guān)系，因此域名備案在工信部審核中很難通過，這導(dǎo)致了無法在瀏覽器上輸入域名便能訪問。最后只能使用公網(wǎng)IP 地址+端口形式訪問。

配置好內(nèi)網(wǎng)穿透后，瀏覽器可以正常訪問frp 流量監(jiān)控，但是發(fā)現(xiàn)無法訪問映射出的樹莓派8080 端口，于是打開穿透日志打印發(fā)現(xiàn)若配置了域名那必須用域名格式訪問http，但是域名目前還沒備案成功，所以瀏覽器無法顯示。后來改為固定IP 訪問，便可成功訪問。

所選用的SIM8202G 的5G 模組是自帶一個(gè)GNSS 定位的，但最后還是選擇了H303D 定位模塊定位，因?yàn)榻?jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)5G 模組開機(jī)啟動到穩(wěn)定所需的時(shí)間比較長，其上面的GNSS 定位也同樣需要一定時(shí)間才能穩(wěn)定下來，為了快捷本次課題設(shè)計(jì)采用的是單獨(dú)的定位模塊提供定位信息。

樹莓派運(yùn)行的Linux 系統(tǒng)可以使用minicom 串口工具通過樹莓派串口發(fā)送AT 指令讀取并配置模組的狀態(tài)，用WWAN0（5G 模組接入后的網(wǎng)口)ping 通所租的騰訊公網(wǎng)云服務(wù)器延遲大約都在30ms。圖10 是目前所在地深圳城中村的5G 網(wǎng)絡(luò)測速圖。

圖10 5G 模組測速圖

配置好內(nèi)網(wǎng)穿透后兩端后，連上監(jiān)控可以看到內(nèi)網(wǎng)的TCP 和HTTP 協(xié)議已經(jīng)穿透成功。只要在用戶端設(shè)備訪問該域名的80 端口，就會跳出樹莓派的網(wǎng)頁端口。frp 流量監(jiān)控頁面如圖11 所示。

圖11 frp 流量監(jiān)控頁面

由于5G 信號波的波長是比4G、3G 的要短的，穿透能力自然也不如人意，因此到目前為止有些地方5G 信號仍然未覆蓋，在城中村測試的時(shí)候，有時(shí)會出現(xiàn)延遲，只能通過自組網(wǎng)起飛。仔細(xì)觀察5G 信號塔的信號發(fā)射裝置方向其實(shí)是朝下的，這也會比較影響5G 無人機(jī)的飛行高度。高德定位地圖如圖12 所示。

圖12 高德定位地圖

在樹莓派上安裝并配置好Python 3 環(huán)境后，執(zhí)行sudo Python3 gps.py 語句系統(tǒng)便自動運(yùn)行定位模塊報(bào)文處理并上傳到高德地圖API 文件，冷啟動后時(shí)間過了一會兒，定位模塊搜索到衛(wèi)星，定位成功，在城市環(huán)境實(shí)測誤差范圍在10m以內(nèi)，滿足使用需求。客戶端瀏覽器工作界面如圖13 所示。

圖13 客戶端瀏覽器工作界面

5 總結(jié)

傳統(tǒng)無人機(jī)需要較高的成本來實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)圖像傳輸一對多端的功能，隨著5G 技術(shù)的飛速發(fā)展，引入5G 網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)可以輕松實(shí)現(xiàn)該功能，無論身處何方，只要能連上互聯(lián)網(wǎng)，都能即時(shí)觀看到5G 無人機(jī)傳出來的實(shí)時(shí)高清畫面，并且還能遠(yuǎn)程控制無人機(jī)飛行姿態(tài)。這無疑降低了戶外工作人員高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且也會使巡檢效率得到顯著提高。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于5G 的無人機(jī)，經(jīng)證實(shí)可以解決傳統(tǒng)無人機(jī)的問題，并應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控，長距離的電網(wǎng)巡查、遠(yuǎn)距離物資輸送、違章建筑查處、高清直播、協(xié)助疫情防控等領(lǐng)域。

目前有些地方還存在信號覆蓋不到的問題，這在一定程度上限制了5G 網(wǎng)絡(luò)信號傳輸在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。但伴隨著我們國家新基礎(chǔ)建設(shè)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋率低的問題也會逐漸得到解決。無人機(jī)在5G 的推動下勢必會如虎添翼，逐漸走進(jìn)千家萬戶的視野。