基于5G 網絡無人機的設計與實現

陳彥芳，張雄，李建輝，李永權

（東莞城市學院 智能制造學院，廣東東莞，523109）

0 引言

當前世界上許多先進國家已經掀起了第一輪的5G 熱浪，全球的5G 技術發展正駛入快車道。伴隨著網絡技術的持續與快速發展，5G 已成為服務大眾、改變社會、促進經濟社會發展的利器之一[1]。2018 年9 月，（5G)IMT-2020推進組、中國信息通信研究院等有關機構聯合發布《5G 無人機應用白皮書》，從“無人機應用場景和通信需求”出發，全面闡述了5G 網 聯無人機整體解決方案[2]。

隨著5G 正式商用，中國移動通信相關部門在5G 互聯網領域有著巨大的優勢，將5G 技術與UAV 技術進行深度結合，搭建5G+無人機在工業物聯網領域的完整體系，隨著工業互聯網的廣泛運用應運而生，這將不斷促進社會的進步和發展。

5G 網聯無人機的相關建設方面，各大運營商都在抓緊布局，積極引入合作伙伴，開展云、端、網對接工作，構建多級5G 網聯無人機合作伙伴生態圈。針對應急、公安、交通、城市管理等多個場景，與合作伙伴共同培養聚合能力、運營能力、協同能力。中國移動發布首款前裝版無人機5G 通信終端“哈勃一號”，電信發布了首款無人機5G 機載邊緣計算終端，聯通發布了5G 無人機機載終端。雖然三者產品在價格、性能參數上略有差別，但是都在卡位5G 網聯無人機的市場。同時，民營企業也在各自的賽道上積極轉型，華為聯合運營商積極拓展5G 網聯無人機業務。大疆作為行業巨頭已與中國移動、中國電信打通5G 通信終端對無人機的遠基于5G 通信技術的無人機立體覆蓋網絡白皮書11 程控制及數據回傳。垂起固定翼無人機企業成都縱橫以及多旋翼無人機領軍企業四川一電甚至已經與中國移動完成了5G 通信模塊的前裝及調試。

本文所研究的基于5G 網絡的無人機，相較于傳統的使用5.8GHz、2.4GHz 無線電頻率進行圖像傳輸和數據傳輸的無人機[3]，能做到飛行范圍廣，視頻高清，圖傳遠，低成本高速率，而且不易受到干擾。無人機工作時連接到所處地的5G 信號覆蓋的基站，通過無線網絡上傳數據和高清視頻圖像，并接收下載飛行數據等信息。在低延時高速率的5G蜂窩網絡互聯網控制下的無人機，相比傳統的遙控器控制能飛得更安全更遠，圖像傳輸得也更遠更清晰，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新點可以應用于街道巡視、城市管理、生態環境監測等場合，也對其他需要無人監控的應用場景有重要的研究價值和意義。

1 系統方案

無人機工作時，連接到所處的5G 信號覆蓋的基站，通過無線網絡上傳數據和高清視頻圖像，并接收下載飛行數據等信息，理論上可以達到飛行距離不受限制，從而可以實現全球范圍內部署運行。其主要實現的功能包括：無人機系統和5G 模塊橋接連接上當地基站從而實現上網；用戶可以通過5G 網絡低延時控制無人機的飛行姿態；通過5G 網絡傳輸實時高清視頻圖像直播；通過GPS、北斗、伽利略等多衛星精準定位實時反饋無人機所在位置；用戶可以通過Android、IOS、MacOS、Windows、Linux 等等任何可以聯網的設備控制，從而達到更高的兼容性、方便性的目的[4]。

系統設計框圖如圖1 所示，該系統由基于Arm 系列架構的樹莓派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OV5647 感光芯片為底板，采用基于8 位單片機Atmega2560 的ArduPilot作為開源飛控，并采用H303D 定位導航模塊上報信息到SSD 云盤。

圖1 系統設計框圖

2 系統硬件設計

本無人機使用的是45 英寸四軸無人機F450 作載體，該機型已流傳較久，配套方案齊全，方便搭載航拍拍攝設備，長軸臂適合放置5G 天線。硬件采用基于Arm 系列架構的樹莓派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 主控系統設計

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

主控系統最佳工作環境電壓是5V，峰值電流是3A。為了確保樹莓派能達到最佳性能，PCB 板不得不調大線寬、線距和采用挖孔式設計并配備散熱風扇。為了確保飛機良好的載重性能，配備了F450 機型最佳的動力系統：1045 槳葉+950kV 無刷電機+20A 電調+4S25C2600mAh 航模鋰電池，4S 代表有4 塊3.7V 的鋰電池串聯，總電壓為14.8V，充滿電電壓為16.8V。電機空載時1V 電壓下的轉速是950轉/秒，16.8V 電壓時則是15960 轉/秒，根據鋰電池持續放電電流公式：

可得出本套動力系統持續放電的電流能達到65A，在最大載重時每個軸都能分配到16.25A，加上1047 寸大槳葉和20A 電子調速器的加持下，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，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，使樹莓派欠壓報警，影響主控性能后果不堪設想。所以需要采用一套穩定在4.4V 以內的大電流供電方案，這里使用的是帶有MP1482 降壓電路的轉接板。

該電路可以持續負荷2A 大電流，具有極好的負載和線性調整率?？梢栽?.2～18V 環境下工作并具有短路保護、過流保護、欠壓保護和過溫關斷保護。

■2.3 定位模塊

圖3 是定位模塊通過串口協議的接線圖，無人機位置信息上報采用的是H303D 定位導航模塊，該模塊是基于低功耗芯片AT6558D，即便是在地理環境復雜，衛星定位信號偏弱的地方都能實現精確定位，定位精度在5M 以內。支持串口、I2C、SPI 和USB 這幾種通信協議。天線采用的是陶瓷天線和LAN 芯片，串口默認波特率為9600，模塊默認以串口形式發送數據。上位機也可通過串口協議連接，對定位模塊進行參數調節。

圖3 定位模塊接線圖

H303D 定位導航模塊默認是使用NMEA 0183 協議的，發送的數據幀頭一般如表2 的格式。

將使用的是數據幀以 “$GPRMC”開頭的定位報文。根據NMEA 0183 協議格式從該定位報文中提取當前的坐標經度緯度。

■2.4 攝像頭模塊

攝像頭模組以OV5647 感光芯片為底板，可達2592×1944 分辨率。采用CSI（相機串行接口)接口與樹莓派通信，通過數據差分信號傳輸視頻中的像素值。CSI 接口可以靈活地根據相機的陣列自動調整線差分時鐘線和差分數據信號的組數來實現攝像頭數據傳輸。如此能減少樹莓派CPU 的負載，也可以提高傳輸速率，即使是大陣列的CCD 相機也能滿足數據高速傳輸的要求。

同時也集成了CCI（相機控制接口)，能廣泛兼容現有處理器的I2C 接口從而實現主設備對從設備的控制。CSI 攝像頭接口圖如圖4 所示。

3 系統軟件設計

■3.1 總體軟件設計流程

軟件功能流程圖如圖5 所示。控制端網頁主要采用GitHub 上開源框架network-rc[6]，該框架由后端語言Node.js 編寫，node.js 是一個能運行在服務器端的JavaScript 開源代碼。Node 采用谷歌開發的V8 引擎運行js 的代碼，具有輕量和高效的特性。常用于搭建易于擴展和響應速度快的應用。一般的網頁都是上發給訪問客戶，最終在客戶端瀏覽器上運行，但node.js 是在所掛載它的樹莓派系統上直接運行，所以可以直接進行對樹莓派操作。

圖5 軟件功能流程圖

瀏覽器端和服務器端通過在單個TCP 連接上進行全雙工通信的一種協議websocket 來實現飛行數據和位置信息交互，一次握手就可以持久連接并進行雙向傳輸數據。該協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 格式后通過網頁實時通信webrtc的API 傳輸，在瀏覽器上只需要提前將JavaScript 配置完成就能實現實時音視頻通訊。

■3.2 5G 模組配置

5G 模組上網配置流程如圖6 所示。5G 模組上網形式是采用RNDIS（網絡驅動程序接口規范)撥號上網，基于USB 上實現RNDIS 實際上就是TCP/IP over USB，就是在5G 模組上運行TCP/IP，讓5G 模組看上去像一塊網卡，采用模組開發公司芯訊通配套的Linux 內核文件，下載并編譯內核驅動使用。因為每次關電源后啟動沒有記憶功能，都要重新配置RNDIS 撥號，所以要配置開機自啟動腳本。

圖6 5G 模組上網配置流程

■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 定位模塊負責飛控的定位和航向規劃，m6n 定位模塊負責給網頁控制端提供位置信息，因為定位模塊發送的信息報文是基于NMEA 協議，所以通過Python 語言編寫位置NMEA 協議數據處理腳本，樹莓派通過串口讀取，將定位模塊發出的經緯度報文（WGS84 格式)最終轉換成高德地圖使用的加密方案火星坐標系（GCJ02 格式)，并通過高德地圖API 上發，最后在樹莓派開機自動運行的系統腳本文件里面添加執行該Python 文件的命令，達到樹莓派系統開機便可自動啟動該文件的目的。

其中定位模塊報文樹莓派端口接收處理的部分代碼如下：

4 系統功能測試

無人機的整體實物圖如圖8所示，為其設計的單軸緩沖防抖云臺3D 設計圖如圖9 所示。

圖8 無人機整體實物圖

圖9 單軸緩沖防抖云臺3D 設計圖

設計完成后，測得整機重量達1720g，幾乎達到了F450 機型的極限載重，原本采用的大疆980kV 的2212 無刷電機配9450自鎖槳，但是拉到極限油門也無法使飛機離地。后來采用950kV的2216 無刷電機配1047 自鎖槳，采用4S 鋰電池，單個電機的極限拉力能達到1100g。如此飛行器的安全極限可根據以下公式：

W=F(單個電機極限拉力)×軸數×2/5 式(2)

可得到飛行器安全極限載重1760g，故而可以實現起飛。

由于本次項目設計與個人搭建直播平臺有一定的關系，因此域名備案在工信部審核中很難通過，這導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IP 地址+端口形式訪問。

配置好內網穿透后，瀏覽器可以正常訪問frp 流量監控，但是發現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現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GNSS 定位的，但最后還是選擇了H303D 定位模塊定位，因為經過多次測試發現5G 模組開機啟動到穩定所需的時間比較長，其上面的GNSS 定位也同樣需要一定時間才能穩定下來，為了快捷本次課題設計采用的是單獨的定位模塊提供定位信息。

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

圖10 5G 模組測速圖

配置好內網穿透后兩端后，連上監控可以看到內網的TCP 和HTTP 協議已經穿透成功。只要在用戶端設備訪問該域名的80 端口，就會跳出樹莓派的網頁端口。frp 流量監控頁面如圖11 所示。

圖11 frp 流量監控頁面

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，在城中村測試的時候，有時會出現延遲，只能通過自組網起飛。仔細觀察5G 信號塔的信號發射裝置方向其實是朝下的，這也會比較影響5G 無人機的飛行高度。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 環境后，執行sudo Python3 gps.py 語句系統便自動運行定位模塊報文處理并上傳到高德地圖API 文件，冷啟動后時間過了一會兒，定位模塊搜索到衛星，定位成功，在城市環境實測誤差范圍在10m以內，滿足使用需求?？蛻舳藶g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

傳統無人機需要較高的成本來實現視頻實時圖像傳輸一對多端的功能，隨著5G 技術的飛速發展，引入5G 網絡的無人機可以輕松實現該功能，無論身處何方，只要能連上互聯網，都能即時觀看到5G 無人機傳出來的實時高清畫面，并且還能遠程控制無人機飛行姿態。這無疑降低了戶外工作人員高空作業的安全風險，而且也會使巡檢效率得到顯著提高。本文設計實現的基于5G 的無人機，經證實可以解決傳統無人機的問題，并應用于環境監控，長距離的電網巡查、遠距離物資輸送、違章建筑查處、高清直播、協助疫情防控等領域。

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 網絡信號傳輸在這個領域的應用。但伴隨著我們國家新基礎建設戰略的不斷推進，5G 蜂窩網絡信號覆蓋率低的問題也會逐漸得到解決。無人機在5G 的推動下勢必會如虎添翼，逐漸走進千家萬戶的視野。