无人机安防监察领域的应用

2018-01-25王钧禾

时代农机 2017年11期

王钧禾

（上海工程技术大学，上海 201600）

无人驾驶飞机简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写UAV），是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机根据空机质量，可分为微型、轻型、小型、大型；根据应用领域，又可分为军用与民用。无人机是利用导航技术、动力技术测速技术以及芯片等技术，具有低成本、低风险、可重复使用等诸多优点，其运用规模从早期的侦探、演戏等军用范围扩大到能源勘探、天气预报及解决紧急事务等非军用范围。无人机的高效率、高清晰度等优势，是原有的人造地球卫星所不能相提并论的，逐渐受到研发者和消费者的喜爱。

1 无人机安防监察系统的组成

无人机安防监察系统包括无人机、后台控制系统以及无线通信技术系统。后台控制系统经由无线通信技术给无人机传输命令，无人机利用无线网络将视频影像发送到后台控制系统。

1.1 无人机

无人机由飞机机体、飞控系统、数据链系统、回收系统、电源系统等系统构成，如图1所示。

图1 无人机系统组成

（1）飞机机体或者称是指无人机的支撑平台，一个好的机体应该考虑到结构结实耐用布局合理也要考虑到轻量化和布局美观。

（2）无人机的核心组成部分是飞控系统。它负责飞行姿态、数据传输等关键部分，对整个无人机性能起着无可替代的功用。

（3）无人机系统的重要纽带是数据链系统。它是一个智能的通讯系统，完善各个系统工作参数使之达到性能与节能的平衡。

（4）无人机回收系统的功用是在无人机电量不足或失联的情况下能够自动地按照既有程序返航。

（5）电源系统是保证无人机电量分配给不同配件来使用，通过优化电源能耗来达到无人机更好的飞行体验。

1.2 后台控制系统

后台控制系统的目的是实现对无人机的远距离控制、收集无人机传回来的影像、及时展示出无人机的地理位置和查找或制定飞行轨迹。

（1）遥控手柄通过WI-FI并向无人机传送命令，对无人机的轨迹进行操控的同时把悬挂在机体下方的摄像头拍得的影像回传到操作者。

（2）后台操作者可以随时观看无人机传回来的影像。

（3）实时展示出无人机的地理位置，利用GPS定位卫星，定位无人机的瞬时方位。

（4）无人机的飞行轨迹能够跟随操作者的指示，同时也能够根据大数据分析来标定，大数据可以更有针对性地进行安防监察。

1.3 无线通信技术系统

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。

无线通信技术系统的基本原理如图2所示：微型摄像机采集图像信息；对采集到的图像压缩编码，以便选择实时和准确的图像信息；信道编码用于进行纠错编码；然后通过信号控制对目标图像信息处理与识别；将处理后的信号扩频放大，使控制中心收到连续的信息通信。

图2 无线通信技术系统的基本原理图

2 无人机安防监察系统的实现

系统需要包括以下模块：终端控制计算机、WI-FI传输模块、CPU模块、电动机模块、高度控制模块、采集影像模块及GPS模块。无人机安防监察系统实现的原理图如图3所示。在无人机自主飞行过程中，控制终端计算机会随时根据各无人机的航线飞行情况，重置飞行路线，最终完成总航线的重复飞行监控。在紧急情况下，无人机也可手动遥控飞行，飞行数据实时传输显示在计算机上。

图3 总体系统原理框图

3 无人机安防监察具体应用

目前无人机在消费级航拍以及专业影视摄像有不错的应用，由于无人机在抗震救灾、边防巡查、勘探搜索领域有不错的应用前景，而这部分大多与国防相关。因而，全世界对无人机研发大部分聚焦在军用安防监察的领域上来。由于无人机速度较高，科技含量高，而且其组成的自动控制执行任务往往是高难度、高强度、高危险的，因此，对于这一类无人机的研究较为细化和深入。通过基于无人机拍摄的影像可以及时发现安防监察问题，监测敏感区域，识别车辆、人员，提供更为准确清晰直观的证据，而随着商业高分无人机的普及和无人机技术的发展，进一步增加了防御监察信息系统的自动化水平和问题处理效率。

（1）监控巡察。利用携带摄像机装置的无人机，可以像鸟类一样在空中鸟瞰整个街区。通过其航拍的影像实现实时传输影像，利用虚拟视频技术实时监控视频影像中的目标，并对其开展持续动态追踪，最终获得其行动轨迹。

（2）灾区救援。使用配备了高清航拍摄像头的无人机对灾区展开航拍，传回实时影像。无人机动作敏捷，对于分秒必争的灾后救援任务而言非同凡响。同时，无人机承担了救援工作的安全，通过航拍的方式，避免了易发二次灾害的高危地区，将为突出救灾地区、选择保险的救灾途径还有为灾后重建提供了重大参考价值。另外，无人机可实现全地形监测反馈以防引发连锁反应。

（3）土地测绘。无人机航拍有成本低、操控简便、效率高等优势。所以采用无人机航拍来获取基本地形资料是较为可行的方式。通过项目调研、数据获取、制定计划、执行作业以及数据处理等步骤制作完成并对成果进行检查整理。

（4）野生动物监测。无人机能够在不打扰动物的前提下对其进行检测。这就为动物的繁衍、迁徙等提供了很高的参考价值，这在山多路窄的野外道路意义非凡。无人机安防监察系统还可以提供群居动物的生存情况，这项应用对于高海拔地区的观测起着关键作用。

（5）农林植保。传统地基于地面的植物组成与结构调查由于所获得的数据精度差、人力成本高、覆盖范围小等限制，很难应用到较大的取样面积。无人机遥感技术可以部分上弥补这些限制，目前应该尝试着在植物资源调查、物候监测、植物病虫害监测等方面。无人机业内人员都认为农业是无人机应用的一个巨大区域。无人机通过自身悬挂可以用来播种和喷洒农药，还能监察农作物的长势和收成情况。无人机不仅能提高农药的喷洒效率，而且能有避免人类长期暴露在农药的周围，提高人的安全。无人机还可以在农田上空悬停并发出录音驱鸟的声音来驱散对植物生长不利的鸟类。

（6）高速公路监控。中国目前建成了大约13.1万km的高速公路。有些高速公路要穿越山脉、河流等复杂路况。可以用无人机的安防监察系统来检查道路的完好程度、遥感测绘和观测交通拥堵及车祸预警。无人机安防监察系统还可以参与测速等违章拍摄的工作中。

（7）采矿操作。利用无人机安防监察系统可以测量矿井的体积。通常的方法是派专员深入矿井进行测量，如今无人机也能够胜任。应用无人机安防监察系统可以给矿坑建模，甚至可以深入矿坑进行作业。

（8）能源巡视。能源巡视是责任重大的工程。输油管路的巡查、光缆管道的检察都要耗费检察人员巨大的财力、物力、人力。举个例子，通信铁塔通常每隔1000m架设一个。人工巡查的效率是非常低的，利用基于无人机安防监察系统可以横跨河流、狭窄山路等路况，为提高巡查效果提供保障。

（9）电力巡检。无人机巡视时搭载有集成红外、可见光的检测设备，可对线路进行红外测温和可见光检查，目前，运用无人机开展日常巡视及特殊巡视的工作内容主要有对输电线路导地线、上部塔材、金具、绝缘子、附属设施、线路走廊等进行常规性检查。

（10）铁路工程建设。中国高铁的建设风起云涌。铁路建设往往因某些原因会经过不稳定的边坡地段，因此在第一时间获取到这一地段的测量是非常关键的，这一任务可以通过无人机的低空摄像技术加以实现。