基于5G技术的无人机校园巡视系统的研究*

汪兵兵 ， 陈惠敏 ， 党元晓 ， 王广印 ， 沈佳琦

（昌吉学院航空学院，新疆 昌吉州 831100）

随着科技水平的不断提升，通信系统与技术得到了快速发展。5G通信技术具有使用范围广、能耗低、传输速度快等优点，被广泛应用于社会生产、人们生活的各个领域。无人机作为一种无人驾驶飞机，被广泛使用在农业、林业、畜牧业、渔业、消防、勘探、航拍等各个领域中。将5G技术与无人机技术组合起来并加以应用，已经成为社会的潮流，其发展空间和应用前景均无限广阔。本文介绍了一种将5G技术与无人机技术结合起来用于校园安全检查巡视的系统，通过5G网络使无人机搭载的摄像机拍摄的图像能够快速回传到指挥大厅，方便校园安保人员巡查。

1 无人机与5G网络概述及应用

1.1 无人机介绍

无人机作为一种无人驾驶、飞行重于空气的航空器（UAV），是一种主要通过无线电遥控设备或者自身搭载的程序控制设备操纵的不载人航空器[1]。无人机作为一种无人驾驶搭载电子设备的航空器，具有体积小、质量轻、价格低廉、携带方便等特点，已经在生活中的各个方面被广泛使用[2]。荆怀龙等[3]用无人机对丘陵果园种植中的病虫害进行监测研究，发现采用无人机可以精准地监测果园病情；王帅[4]研究了无人机的遥感等相关技术在水利与灾害防治等方面的应用，并提出了建设性意见。由此可见，无人机技术已经在人们生活中被大量使用。

1.2 5G网络技术及其发展

5G作为第五代通信技术，具有传输速率高、延时低、应用场合广泛等优点，已经被广泛运用在人们日常生活中，与现有的4G通信技术相比，5G通信技术在网速传输方面的能力远远高于4G通信技术。同时，5G通信率先使用云RAN和虚拟RAN的新架构并融合多种技术，在性能上远远超过2G、3G、LTE、LTE-A、Wi-Fi、M2M等技术[5]。

2013年2 月欧盟开始计划推进5G移动技术发展，我国于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推进领导小组，2016年1月我国5G技术研发正式开始，2016年5月31日在北京召开第一届全球5G大会，2017年11月我国开始进行5G技术研发试验第三阶段测试，2018年2月华为推出首款5G商用芯片[6]，2019年6月工信部向中国移动等四家通信厂商发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。自此以后，我国开始进入5G技术应用高速发展时期。

1.3 无人机+5G应用

5G移动通信技术具有其独特的通信特点，在生活中的很多场合被广泛运用，越来越多的人将无人机与5G技术结合起来使用，在生活中形成了一种“5G+”的使用潮流。

徐海奇等[7]研究了基于5G技术的变电站无人机巡检解决方案，进一步促进电网监控、巡检作业向着智能化、可视化、高清化的方向发展，很大程度上提升了供电设备的检查效率。

李宁[8]分析了5G 技术在警用无人机应用中的优势，认为将5G技术运用在警用无人机上能够在一定程度上解决现阶段无人机数据传输速率宽带低、覆盖空域小等难题，提高公安机关办案效率，解决警力不足等问题。

潘伟[9]为解决市中心湖泊水体任意垂钓问题，将5G技术、AI技术和无人机相互融合一起，通过AI为无人机赋能，利用无人机不定期巡航实现相关区域水体保护。

本文将现有5G技术与无人机技术组合搭建出了一款无人机校园巡视系统，以期为校园安全提供服务。

2 5G无人机的原理及硬件搭建

2.1 5G无人机设计原理

本文所设计的系统平台主要使用5G传输模块作为一个数据传输端口，设备搭载树莓派作为机载电脑实现数据处理，采集机载摄像机所拍摄的图片，最终通过网络形式传送到电脑等地面站，通过GPS模块完成设备定位功能，如图1所示。

图1 设计原理图

2.2 5G无人机硬件平台

根据需求，在现有650无人机的基础上安置5G模块平台，如图2所示，其主要包括5G通信链路、微型机载计算机、单目摄像头、PIX4飞控板和无人机基础结构。

图2 硬件平台搭建

2.2.1 5G通信链路

课题组采用SIM8200EA-M2 5G模组实现无人机配网，如图3所示。该模块是基于高通骁龙X55平台，可支持多频段3G、4G、5G上网，可用于打电话、发短信、云平台通信等。该设备搭载USB3.1接口，可用于测试AT指令；背部设置SIM卡槽可用于移动卡安装，即可以完成数据通信的搭建，借助5G传输模块可以完成图像的高速传送。

图3 SIM8200EA-M2

2.2.2 微型机载计算机

课题组采用最新树莓派（Raspberry Pi）4B-8B为机载电脑，实现数据和网络的传输，如图4所示。机载设备内部放置信用卡大小的卡片式电脑，其系统基于Linux系统设置。树莓派机载电脑底层是一个完整的Linux操作系统，并不像Android的底层只是一个精简过的Linux嵌入式版本。该设备是一个开放源代码的硬件平台，平台包含一块具备I/O功能的电路板及Broadcom BCM2835 system on a chip(SoC)的ARM芯片。

图4 树莓派机载电脑

2.2.3 单目摄像头

在图像采集模块，课题组选用英伟达77度800万像素的IMX219单目摄像头，如图5所示。其具有焦距2.85 mm、光圈2.0、对角视场角79.3°、畸变＜1%等特点，基本可满足图像传输要求；同时还具有体积小、重量轻的特点，可进一步降低无人机飞行载荷。通过将图像采集信号传送到5G传输组件中，可实现通过网络将图像接入流媒体中。

图5 IMX219单目摄像头

2.2.4 Pixhawk2.4.8飞控板

飞控板选择Pixhawk2.4.8控制器，如图6所示。它是一个双处理器的飞行控制器，可实现强大的飞行控制计算，其搭载32位STM32F427Cortex M4核心的168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash处理器，具有安全稳定等优点，现已被广泛使用。

图6 Pixhawk2.4.8飞控板

2.2.5 整体平台搭建

课题组选用650无人机机架，搭载电调及四部电机驱动桨叶旋转，通过设计5G整体模块驱动设备飞行及图像传输，基本可以实现无人机控制飞行及机载5G图像传输，整机平台如图7所示。

图7 整机平台

2.3 图传数传设置

2.3.1 5G网络配置过程

1）设备网络配置。课题组以SIM8200EA-M2 5G模组、树莓派、PIX4作为5G数据传输的核心硬件，5G模块使树莓派配网，树莓派通过串口与无人机飞控通信，实现无人机的5G数据链通信，最终达到5G通信的目标。

2）5G模块驱动程序。选择现有的5G模块驱动，通过树莓派联网下载完成相关的驱动程序并安装于机载计算机中。

3）配置网络接口。通过已经下载好的驱动程序，运行ifconfig-a命令行，并检查网络配置情况，用配置好的网络为后续上网提供基础。

4）机载设备与终端通信。根据机载电脑与5G之间的相关搭建，根据AT测试其通信，将sudo apt-get install minicom与sudo minicom -D /dev/ttyUSB2命令行输入测试，并得到OK结果，表示已完成终端通信。

2.3.2 图像传输过程

根据网络配置结果，对5G完成整体网络配置，并通过机载电脑设置网络流媒体，将摄像头采集到的数据通过流媒体传输出去。在5G通信链路下，除了拥有更快的网络，解决了局域网拥堵等问题，信号品质方面也会更好，更加省电，干扰也会更小。图像传递系统由远程服务器端、飞机端、地面中继端和电脑/手机视频控制端四个部分组成，将该5G模块分别嵌入无人机飞机端和地面中继端。

首先，使用ffmpeg进行图传，运行sudo raspiconfig使能摄像头；其次，获得rtmp地址和直播码，通过树莓派端执行，并输入“rtmp地址/直播码”；最后，链接已经配置好的5G网络，运行终端指令，在rtmp端便可实时观测无人机拍摄到的图像。

2.3.3 数据传输过程

无线数据传送[10]是采用数字信号处理，数字调制解调，并且具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输技术。传输速率19.2 kbps，收发转换时间10 ms，具有场强、温度、电压、飞行高度、卫星数量等指示，并且地面端可以通过数据传送发送指令使其完成自主起降及路径规划。本文采用开源QGC地面站，网络协议为无人机专用的MAVLINK通信协议，以此实现数据的实时传输。

3 平台测试与分析

课题组将无人机与5G相结合完成校园巡视无人机的设计。该类型无人机为650四旋翼无人机，飞行过程中设定GPS飞行模式，飞机飞行中边飞行边回传图像，可对重点区域拍摄图片及视频。测试区域为学校区域，这一区域5G基站数量较少，因此实际传输过程中会存在一定延迟，大约为250 ms～300 ms；设定丢包率0.1%，因而回传的图像会存在一定模糊，大约5 s会出现马赛克图像，这一现象主要还是受5G基站影响，因此后期将选取5G信号相对强的区域进一步改进图像回传方案。

4 结语

课题组以无人机平台与5G技术为背景，设计了一款“5G+”应用设备无人机校园巡视系统，该系统主要包含5G模块、树莓派机载电脑、GPS模块、英伟达单目摄像头和无人机基础设备，基本实现了无人机一边飞行一边通过5G设备回传图像数据的目标。该设备的研发设计在工业互联网等应用方面展开了一些探索，取得了一定成果，但也面临着一些问题。首先，在数据传输等方面需不断增加无人机载荷，但无人机机载载荷具有一定的限制，这样只有选取大型无人机才能完成复杂方案；其次，5G设备传输中针对画面传输占用的带宽较大，这意味需要更多的数据流量完成视频传输，因此比较费流量；最后，5G作为一种不断发展的技术，其设备模块组件费用较高，深入研究的研发费用相对较高。因此“5G+”应用技术在之后的使用过程中将有很大发展空间，后期将进一步优化无人机与5G技术的融合。