無人機安防監察領域的應用

王鈞禾

（上海工程技術大學，上海 201600）

無人駕駛飛機簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle，縮寫UAV），是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器。無人機根據空機質量，可分為微型、輕型、小型、大型；根據應用領域，又可分為軍用與民用。無人機是利用導航技術、動力技術測速技術以及芯片等技術，具有低成本、低風險、可重復使用等諸多優點，其運用規模從早期的偵探、演戲等軍用范圍擴大到能源勘探、天氣預報及解決緊急事務等非軍用范圍。無人機的高效率、高清晰度等優勢，是原有的人造地球衛星所不能相提并論的，逐漸受到研發者和消費者的喜愛。

1 無人機安防監察系統的組成

無人機安防監察系統包括無人機、后臺控制系統以及無線通信技術系統。后臺控制系統經由無線通信技術給無人機傳輸命令，無人機利用無線網絡將視頻影像發送到后臺控制系統。

1.1 無人機

無人機由飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、回收系統、電源系統等系統構成，如圖1所示。

圖1 無人機系統組成

（1）飛機機體或者稱是指無人機的支撐平臺，一個好的機體應該考慮到結構結實耐用布局合理也要考慮到輕量化和布局美觀。

（2）無人機的核心組成部分是飛控系統。它負責飛行姿態、數據傳輸等關鍵部分，對整個無人機性能起著無可替代的功用。

（3）無人機系統的重要紐帶是數據鏈系統。它是一個智能的通訊系統，完善各個系統工作參數使之達到性能與節能的平衡。

（4）無人機回收系統的功用是在無人機電量不足或失聯的情況下能夠自動地按照既有程序返航。

（5）電源系統是保證無人機電量分配給不同配件來使用，通過優化電源能耗來達到無人機更好的飛行體驗。

1.2 后臺控制系統

后臺控制系統的目的是實現對無人機的遠距離控制、收集無人機傳回來的影像、及時展示出無人機的地理位置和查找或制定飛行軌跡。

（1）遙控手柄通過WI-FI并向無人機傳送命令，對無人機的軌跡進行操控的同時把懸掛在機體下方的攝像頭拍得的影像回傳到操作者。

（2）后臺操作者可以隨時觀看無人機傳回來的影像。

（3）實時展示出無人機的地理位置，利用GPS定位衛星，定位無人機的瞬時方位。

（4）無人機的飛行軌跡能夠跟隨操作者的指示，同時也能夠根據大數據分析來標定，大數據可以更有針對性地進行安防監察。

1.3 無線通信技術系統

無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。

無線通信技術系統的基本原理如圖2所示：微型攝像機采集圖像信息；對采集到的圖像壓縮編碼，以便選擇實時和準確的圖像信息；信道編碼用于進行糾錯編碼；然后通過信號控制對目標圖像信息處理與識別；將處理后的信號擴頻放大，使控制中心收到連續的信息通信。

圖2 無線通信技術系統的基本原理圖

2 無人機安防監察系統的實現

系統需要包括以下模塊：終端控制計算機、WI-FI傳輸模塊、CPU模塊、電動機模塊、高度控制模塊、采集影像模塊及GPS模塊。無人機安防監察系統實現的原理圖如圖3所示。在無人機自主飛行過程中，控制終端計算機會隨時根據各無人機的航線飛行情況，重置飛行路線，最終完成總航線的重復飛行監控。在緊急情況下，無人機也可手動遙控飛行，飛行數據實時傳輸顯示在計算機上。

圖3 總體系統原理框圖

3 無人機安防監察具體應用

目前無人機在消費級航拍以及專業影視攝像有不錯的應用，由于無人機在抗震救災、邊防巡查、勘探搜索領域有不錯的應用前景，而這部分大多與國防相關。因而，全世界對無人機研發大部分聚焦在軍用安防監察的領域上來。由于無人機速度較高，科技含量高，而且其組成的自動控制執行任務往往是高難度、高強度、高危險的，因此，對于這一類無人機的研究較為細化和深入。通過基于無人機拍攝的影像可以及時發現安防監察問題，監測敏感區域，識別車輛、人員，提供更為準確清晰直觀的證據，而隨著商業高分無人機的普及和無人機技術的發展，進一步增加了防御監察信息系統的自動化水平和問題處理效率。

（1）監控巡察。利用攜帶攝像機裝置的無人機，可以像鳥類一樣在空中鳥瞰整個街區。通過其航拍的影像實現實時傳輸影像，利用虛擬視頻技術實時監控視頻影像中的目標，并對其開展持續動態追蹤，最終獲得其行動軌跡。

（2）災區救援。使用配備了高清航拍攝像頭的無人機對災區展開航拍，傳回實時影像。無人機動作敏捷，對于分秒必爭的災后救援任務而言非同凡響。同時，無人機承擔了救援工作的安全，通過航拍的方式，避免了易發二次災害的高危地區，將為突出救災地區、選擇保險的救災途徑還有為災后重建提供了重大參考價值。另外，無人機可實現全地形監測反饋以防引發連鎖反應。

（3）土地測繪。無人機航拍有成本低、操控簡便、效率高等優勢。所以采用無人機航拍來獲取基本地形資料是較為可行的方式。通過項目調研、數據獲取、制定計劃、執行作業以及數據處理等步驟制作完成并對成果進行檢查整理。

（4）野生動物監測。無人機能夠在不打擾動物的前提下對其進行檢測。這就為動物的繁衍、遷徙等提供了很高的參考價值，這在山多路窄的野外道路意義非凡。無人機安防監察系統還可以提供群居動物的生存情況，這項應用對于高海拔地區的觀測起著關鍵作用。

（5）農林植保。傳統地基于地面的植物組成與結構調查由于所獲得的數據精度差、人力成本高、覆蓋范圍小等限制，很難應用到較大的取樣面積。無人機遙感技術可以部分上彌補這些限制，目前應該嘗試著在植物資源調查、物候監測、植物病蟲害監測等方面。無人機業內人員都認為農業是無人機應用的一個巨大區域。無人機通過自身懸掛可以用來播種和噴灑農藥，還能監察農作物的長勢和收成情況。無人機不僅能提高農藥的噴灑效率，而且能有避免人類長期暴露在農藥的周圍，提高人的安全。無人機還可以在農田上空懸停并發出錄音驅鳥的聲音來驅散對植物生長不利的鳥類。

（6）高速公路監控。中國目前建成了大約13.1萬km的高速公路。有些高速公路要穿越山脈、河流等復雜路況。可以用無人機的安防監察系統來檢查道路的完好程度、遙感測繪和觀測交通擁堵及車禍預警。無人機安防監察系統還可以參與測速等違章拍攝的工作中。

（7）采礦操作。利用無人機安防監察系統可以測量礦井的體積。通常的方法是派專員深入礦井進行測量，如今無人機也能夠勝任。應用無人機安防監察系統可以給礦坑建模，甚至可以深入礦坑進行作業。

（8）能源巡視。能源巡視是責任重大的工程。輸油管路的巡查、光纜管道的檢察都要耗費檢察人員巨大的財力、物力、人力。舉個例子，通信鐵塔通常每隔1000m架設一個。人工巡查的效率是非常低的，利用基于無人機安防監察系統可以橫跨河流、狹窄山路等路況，為提高巡查效果提供保障。

（9）電力巡檢。無人機巡視時搭載有集成紅外、可見光的檢測設備，可對線路進行紅外測溫和可見光檢查，目前，運用無人機開展日常巡視及特殊巡視的工作內容主要有對輸電線路導地線、上部塔材、金具、絕緣子、附屬設施、線路走廊等進行常規性檢查。

（10）鐵路工程建設。中國高鐵的建設風起云涌。鐵路建設往往因某些原因會經過不穩定的邊坡地段，因此在第一時間獲取到這一地段的測量是非常關鍵的，這一任務可以通過無人機的低空攝像技術加以實現。

4 結語

由于無人機具有獨特的優勢，可以在安防監察等領域有獨特的應用。同時，還能在災區救援、能源監察等諸多領域有所應用。隨著國內低空空域的開放，無人機安防監察系統會愈發普及。

［1］李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景［J］.武漢大學學報（信息科學版），2014，39，（5）：505-513.

［2］黃志敏，熊緯輝.輕微型無人機廣泛應用帶來的安全隱患及其管控策略［J］.公安研究，2015，15，（11）：42-46.

［3］Theodore S.Rappaport.無線通信原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［4］姜成，李旭.基于3G網絡的多旋翼無人機安防監控設計研究［J］.時代農機，2016，（7）.

［5］胡健波，張健.無人機遙感在生態學中的應用進展［J］.生態學報，2018，（1）.

［6］李詩曉，項興堯，孫希學.無人機在電力線路巡檢中的應用綜述［J］.中國戰略新興產業，2017，（2）.

［7］李鵬.無人機在鐵路建設工程管理上的運用研究［J］.中國高新技術企業，2017，（7）.