基于3G网络的多旋翼无人机安防监控设计研究

姜　成，李　旭

（湖南农业大学 工学院，湖南 长沙　410128）

基于3G网络的多旋翼无人机安防监控设计研究

姜成，李旭

（湖南农业大学 工学院，湖南 长沙410128）

文章针对目前城市安防监控体系建设的不完善，设计了一种无人机实时智能安防监控系统。系统利用无人机航行坐标自主巡航采集视频图像，通过3G网络将数据传输给地面控制终端计算机，终端计算机则通过对比识别完成智能监控。系统具有速率高、机动性能好和智能化程度高的特点，具有较高的应用价值。

安防监控；无人机；自主巡航；3G网络；智能监控

城市安防监控体系是维护城市及公民人身财产安全的重要设施。目前我国大多数城市的安防监控体系多以安装固定摄像头以及人工监控为主，存在以下不足：由于城市规划“滞后”、违规建筑等原因导致监控盲区多；监控智能化程度低导致人力资源耗费大；对紧急事件的监控反应不及时。使得城市及公民人身财产存在很大的安全隐患。为此，文章尝试设计了一种基于3G移动网络的多旋翼无人机安防监控系统，作为现有安防监控体系的有益补充。该系统以3G网络连接地面控制终端计算机和无人机，无人机通过接收控制终端计算机的航行坐标及GPS与MIMU松组合导航系统的导航实现自主巡航监控，并向终端计算机实时传输现场监控画面，终端计算机则通过稀疏编码去噪、ICA盲分离算法实现不同语音的提取，并进行对比识别“求救”语音信号，当对比出“求救”信号后，计算机则自动报警，以便监控人员及时处理。

1　总体设计方案

图1　总体系统框图

为达到实时智能机动监控及自动识别预报警的目的，就必须实时采集现场音像并通过控制终端计算机进行智能控制。根据这一系统功能要求，系统应包括以下几个模块：控制终端计算机、3G无线数据传输模块、中央处理器模块、电机模块、定高模块、音像采集模块、导航模块、姿态模块。其总体系统框图如图1所示。

2　系统硬件设计

（1）中央处理器模块。中央处理器模块采用OMAP5910来实现。OMAP是TI公司推出的专门为支持第三代（3G）无线终端应用而设计的应用处理器体系结构。OMAP5910采用MCU+DSP双内核架构，采用独特的双核架构，把高性能低功耗的DSP和与控制性能强的ARM微处理器结合起来，具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、速度快、数据处理能力强、功耗低、开放性好等优点。由两个独立的组件来完成应用处理任务，其中MCU负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的处理器；而DSP则负责完成多媒体信号的处理。与单核相比，其可使操作系统的效率和多媒体代码的执行更加优化并延长电源寿命；同时其双处理器可将工作负荷进行合理划分，从而降低工作频率，使系统的功耗降至最低，成功实现了性能与功耗的最佳组合。

（2）无线通信模块。为减少无人机通信设备的成本，以及考虑到现有3G网络的逐渐完善，无线通讯模块选用华为公司生产的EM770W。EM770W作为华为生产的3G无线上网模块，采用通用的Mini PCI Express接口，包括有电源接口、DART接口、输入输出音频信号接口、USIM卡信号接口、高速USB2.0接口、PCM接口、天线接口等52个引脚在内的接口。此无线模块中的3G部分是采用WCDMA制式的，它比中国移动的TD-SCDMA、中国电信的CDMA2000具有更快的网络传输速度，支持的业务功能多且覆盖范围广，更有利于实时的视频传输及无人机控制。

（3）定高模块。系统中的定高模块选择URM06-ANALOG超声波测距模块与MS5611气压传感器相结合，以达到无人机低空安全飞行的精准定高、障碍物规避和高空飞行定高的要求，同时URM06-ANALOG可在飞行初始根据实际情况矫正因不同环境导致的MS5611定高偏差。

URM06-ANALOG超声波测距模块是DFRobot基于senscomp公司6500超声波静电换能器设计，测量距离可达10m，工作频率49.5KHZ，探头方向角15°（-6dB），测量范围20cm到10m。

MS5611-01BA气压传感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C总线接口的新一代高分辨率气压传感器，分辨率可达到10cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位∑模数转换器（工厂校准系数）。

图2　GPS/MIMU松组合原理图

（4）导航模块。导航部分采用GPS与MIMU松组合导航，原理图如图 2所示。GPS模块选用瑞士u-blox公司的LEA-5H，具有低功耗、高灵敏度的优点，可以准确快速的获取位置数据。HMR3000数字罗盘用于测量地球磁场的方向和大小，并具有补偿磁场干扰的功能，将获得的磁场数据传送到飞控系统实时解算机体的航向角。

（5）姿态模块。无人机姿态的获取采用LPMS-B新型高精度超小型姿态动作捕捉传感器。LP-RESEARCH公司的姿态传感器LPMS-B使用了先进的数据融合算法，为用户提供高精度高稳定性的姿态动作信息以及3轴加速度、角速度、地磁量、方位角等数据，长时间无漂移，无积累误差。

表1　高清网络摄像机参数表

（6）音像采集模块。根据具体巡航监控情况出发，摄像头可选HIKVISION智能旋转摄像头（DS-2DC5220IW-A），420红外网络小半球摄像头（WB09_JJ-SXQIR-LN420X）、高清网络摄像机（WB09-GQ-SXJI-CNSOOW）以及其它摄像机的类型，可同时支持红外、可见光等多种类型图像的监控，同时基于陀螺仪角度及位移校正并采用优化的运动矢量估计与提取算法，提升相机影像清晰度。以高清网络摄像机参数为例加以说明，WB09-GQ-SXJI-CNSOOW的参数如表1所示。

（7）电机模块。电机模块采用集成芯片L293D驱动T-MO TOR的MT3515KV400直流无刷电机，并通过PWM控制电机转速。L293D是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。

（8）控制终端计算机模块。利用已有的计算机及服务器安装相关控制软件，通过3G网络对远端数架无人机实行远程控制及接收实时监控画面。

3　无人机运动控制过程

本系统的导航系统融合GPS模块和数字罗盘。为实现可视化导航系统，可借助控制终端计算机加载的数字地图设定航线。在多旋翼未起飞之前先在地面站预设总航线，控制终端计算机根据总航线科学合理设计各个无人机的分航线，将航线信息通过3G数传模块传送给无人机控制器。在自主导航开启后，主控板将利用GPS模块提供的经纬度、高度、时间、数字罗盘提供的飞行航向和存储器中存储的预定飞行航线等数据信息计算飞行器的偏航量来控制飞行器的偏航。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，以此达到飞行监控路线不可测的目的。在紧急情况下，无人机可手动遥控飞行，飞行数据实时传输显示在计算机上。

4　安防监控智能识别过程

图3　视频压缩编码流程图

无人机通过DSP将监控的实时音像数据压缩，并以3G网络传回控制终端计算机，视频编码压缩流程图如图3所示。控制终端计算机针对无人机现场发回的音像数据中的语音信号首先采用稀疏编码去噪技术对带噪观测混叠语音分别进行预消噪处理，然后再利用ICA盲分离算法对稀疏编码去噪后的混叠语音进行分离，从而得到各个语音源信号的估计（如图4所示），接着与数据库中的多种“求救”语音信号进行对比识别，当识别出“求救”信号时，计算机会发出警报，并自动投影现场画面，以便监控人员甄别处理。

图4　基于稀疏编码和ICA的带噪混叠语音盲分离案

5　结语

文章主要完成了基于3G网络的无人机安防监视系统的硬件设计及智能机动监控、自动识别预报警的实现策略。该系统采用的模块结构新颖、性能稳定、可靠性高；功能实现策略新颖、简单、有效。能有效解决监控盲区多、监控智能化程度低、人力资源耗费大、对紧急事件的监控反应不实时等的安防监控问题。在城市安防监控领域具有广阔的市场前景。

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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

湖南省普通高校教学改革研究项目（湘教通［2015］291号）

姜成（1994-），男，湖南邵阳人，大学本科，主要研究方向：机械电子工程。