电子信息技术在无人机领域的应用

郑泽林， 李 正

（1.四川大学电子信息学院， 四川 成都 610065；2.西北工业大学无人机重点实验室， 陕西 西安 710072）

0 引言

电子信息技术是指利用电子技术和信息技术进行信息处理、传输和应用的一门学科。它涵盖了计算机技术、通信技术、自动控制技术、电子技术等多个领域，是现代信息技术的基础。无人机，又称为无人驾驶飞机或UAV（Unmanned Aerial Vehicle），是一种没有机组人员搭乘、可以自主执行飞行任务的航空器。无人机主要依靠遥控设备、预设的导航系统或自主控制系统进行操作。电子信息技术在无人机领域的应用非常广泛，本文将具体展开阐述。

1 电子信息技术在无人机导航与控制中的应用

无人机的导航与控制是其最基本的功能，也是无人机能够顺利完成任务的关键。通过电子信息技术，无人机能够实现自主导航、自主控制，包括预设航线规划、实时数据采集、飞行姿态控制等。全球导航卫星系统，如我国的北斗卫星导航系统、美国的GPS 系统、俄罗斯的格洛纳斯系统等，为无人机提供高精度的定位和导航服务。通过接收卫星信号，无人机可以实时确定自身的位置和速度，从而实现精确的导航和飞行路径规划[1]。

无人机的自主导航和飞行控制算法是基于电子信息技术实现的。通过整合各种传感器的数据，无人机可以实现对自身状态的实时监控和调整，从而实现稳定、精确的飞行。电子信息技术在无人机自主导航和飞行控制算法中的应用主要体现在以下方面。

1）传感器数据处理与传输：无人机上搭载了多种传感器，如摄像头、激光雷达、红外传感器、气体传感器等。这些传感器收集到的数据需要通过电子信息技术进行处理、分析和传输。例如，图像传感器捕捉到的图像可以通过图像处理技术进行压缩、增强和识别；激光雷达和红外传感器收集到的数据可以用于三维建模、目标检测和跟踪等。

2）导航与定位：电子信息技术在无人机的导航与定位系统中发挥着重要作用。全球导航卫星系统（GNSS）如GPS、北斗等可以为无人机提供准确的地理位置信息[2]。

3）自动控制与飞行控制算法：电子信息技术在无人机的自动控制和飞行控制算法方面发挥着重要作用。通过集成电路设计、嵌入式系统和控制算法等技术，可以实现无人机的自主飞行、定点巡航、自动避障等功能。此外，无人机还可以利用机器学习和人工智能技术进行智能决策和自主学习，提高飞行性能和任务完成能力。

4）传感器融合与数据融合：为了提高无人机的感知能力和精度，电子信息技术可以实现多传感器的融合与数据融合。例如，通过传感器数据融合技术，无人机可以将来自不同传感器的数据进行融合处理，提高目标检测、跟踪和识别的准确性。此外，数据融合技术还可以实现无人机与其他设备的数据共享与交互，提高任务执行效率[3-4]。

5）通信技术：电子信息技术在无人机与地面站、其他无人机以及空中平台之间的通信中发挥着重要作用。通过通信技术，无人机可以实现数据共享、协同定位、协同决策等功能，提高无人机的作战效能。

2 电子信息技术在无人机通信与数据传输中的应用

无人机在执行任务过程中，需要与地面站点或其他无人机进行实时的数据传输和通信。电子信息技术提供了多种通信手段，如无线电通信、卫星通信、光纤通信等，以确保无人机与地面的实时互联互通。电子信息技术在无人机通信与数据传输中的应用主要体现在以下方面。

1）无线通信技术：无人机通信主要依赖于无线通信技术，包括无线电、Wi-Fi、蓝牙和移动通信网络等。无线电通信技术在无人机领域具有较广泛的应用，如军警、植保、航测等工业无人机，通信间隔一般在15～30 km 之间。Wi-Fi 和蓝牙通信技术则适用于短距离数据传输，可以在无人机与地面设备之间建立稳定的通信连接。移动通信网络则可以提供更远距离的通信覆盖，使得无人机能够在更广泛的范围内进行数据传输。

2）卫星通信技术：卫星通信技术是无人机通信的重要手段之一，尤其在远洋、跨国和偏远地区无人机飞行任务中具有不可替代的作用。通过卫星通信技术，无人机可以与地面控制中心或其他无人机进行数据传输和通信，实现实时监控、指挥和控制。

3）数据链路技术：数据链路技术是无人机通信系统中至关重要的一环，它可以实现无人机与地面站之间的数据传输和远程控制。数据链路技术具有高速率、低延迟、抗干扰能力强等特点，能够满足无人机实时数据传输和控制的需求。

4）网络技术：无人机通信与数据传输离不开网络技术的支持。无人机可以利用现有的有线或无线网络，如互联网、局域网、专用通信网络等，实现数据传输和远程控制。此外，无人机还可以组成自组织网络，实现无人机之间的通信与数据共享。

5）信息处理技术：无人机在通信与数据传输过程中，需要对收集到的各种信息进行实时处理和分析。信息处理技术，如信号处理、数据压缩、数据挖掘等，可以提高无人机通信与数据传输的效率和准确性。

6）信息安全技术：无人机通信与数据传输涉及大量敏感信息，因此信息安全技术在无人机通信中具有重要意义。通过加密、认证、访问控制等技术手段，可以有效保护无人机通信与数据传输的安全性和可靠性[5]。

无人机的飞行控制和数据传输离不开通信技术。无线通信技术，如Wi-Fi、蓝牙、移动通信网络等，可以实现无人机与地面控制设备之间的数据传输和远程控制。此外，无人机之间或者无人机与其他设备之间的通信也可以通过专门的通信协议和技术实现，如DSRC（专用短程通信）等。

3 通信技术在无人机中的应用

1）遥控器与无人机之间的通信：目前，遥控器与无人机之间主要使用2.4 GHz 的频段进行通信。这种通信方式可以实现较远距离的通信，通常在2～3 km范围内。在一些开阔的无人区，通信距离甚至可以达到2 km。

2）无人机与地面站之间的通信：无人机与地面站之间的通信通常使用mavlink 协议。这是一种轻量级、低带宽的无人机通信协议，支持点对点、广播和多播通信。mavlink 协议在地面站和无人机之间进行双向通信，实现了对无人机的数据监测、飞行控制等功能。

3）无人机与海面浮标之间的通信：在海洋监测领域，无人机可以与海面浮标进行无线通信。通过这种通信方式，可以在实时快速获取海面浮标数据的前提下，开展海洋科学调查、鱼类情况的调查、对于海洋油气探测或者海底管道、海上平台巡检等工作。为了实现无人机与浮标之间信号的长距离、低功耗传输，需要研究和建立海空通信信道模型，分析信道特性[6]。

4）无人机之间的通信：在编队飞行、协同作战等场景中，无人机之间需要进行通信。通过通信技术，无人机可以实现数据共享、协同定位、协同决策等功能，提高无人机的作战效能。

5）无人机与空中平台之间的通信：无人机还可以与空中平台（如气球、飞艇等）进行通信。这种通信方式可以实现无人机与空中平台之间的数据传输，扩展无人机的通信范围和应用领域[7]。

4 电子信息技术在无人机传感器中的应用

无人机上搭载了多种传感器，如摄像头、红外线探测器、激光雷达等，通过电子信息技术，这些传感器能够实时采集无人机周围的环境信息，为无人机的飞行决策提供数据支持。电子信息技术在无人机传感器中的应用主要体现在以下方面。

1）传感器集成与设计：电子信息技术在无人机传感器的设计和集成过程中发挥着关键作用。通过集成各种传感器，如摄像头、红外线探测器、激光雷达、超声波传感器等，无人机可以实现对周围环境的全面感知。此外，传感器的精度和性能也可以通过电子信息技术进行优化和提升。

2）传感器数据处理与分析：无人机在飞行过程中会收集到大量的传感器数据，如图像、声音、位置信息等。电子信息技术可以帮助无人机对这些数据进行实时处理和分析，提取有价值的信息，并根据分析结果调整无人机的飞行状态和任务策略。这可以提高无人机的任务执行效率和准确性。

3）传感器通信与数据传输：传感器收集到的数据需要通过通信技术与地面站或其他无人机进行传输和共享。电子信息技术在无线通信技术、数据链路技术、网络技术等方面具有重要应用价值，能够实现传感器数据的实时、稳定、高效传输。

4）传感器故障检测与容错：无人机在飞行过程中，传感器可能会出现故障或失效。电子信息技术可以实时监控传感器的工作状态，及时发现故障并进行容错处理，确保无人机的稳定飞行和任务完成。

5）传感器融合与信息融合：电子信息技术可以帮助无人机实现传感器融合和信息融合，将不同传感器收集到的信息进行整合和处理，提高信息的准确性和可靠性。这有助于无人机更准确地感知周围环境，提高飞行安全性和任务执行效果。

5 电子信息技术在无人机机器视觉与图像处理中的应用

无人机在执行任务时，往往需要对地面或空中的目标进行识别和跟踪。电子信息技术中的机器视觉和图像处理技术可以帮助无人机实现这一功能，提高其任务执行的准确性和效率。电子信息技术在无人机机器视觉与图像处理中的应用主要体现在以下方面。

1）传感器技术：无人机上通常会装备多种传感器，如摄像头、红外线探测器、激光雷达等。电子信息技术在传感器的设计和集成过程中发挥着关键作用。通过集成这些传感器，无人机可以实现对周围环境的全面感知，为机器视觉和图像处理提供数据支持。

2）图像采集与预处理：在无人机飞行过程中，摄像头等图像传感器会收集到大量的图像数据。电子信息技术可以帮助无人机对这些图像数据进行采集、预处理和压缩，提高图像质量和传输效率。

3）图像特征提取与目标识别：电子信息技术在机器视觉和图像处理领域具有重要应用价值。通过图像特征提取和目标识别算法，无人机可以识别出图像中的重要目标和信息，为后续任务决策和执行提供依据。

4）实时图像处理与分析：无人机在飞行过程中会遇到各种复杂环境，如恶劣天气、光线变化等。电子信息技术可以帮助无人机对实时采集的图像进行处理和分析，实现对环境的实时感知和适应。

5）图像数据通信与传输：机器视觉和图像处理产生的大量数据需要通过通信技术与地面站或其他无人机进行传输和共享。电子信息技术在无线通信技术、数据链路技术、网络技术等方面具有重要应用价值，能够实现图像数据的实时、稳定、高效传输。

6）智能图像处理与目标跟踪：电子信息技术在智能图像处理和目标跟踪领域具有广泛应用。通过运用先进的图像处理算法和目标识别技术，无人机可以实现对目标的自动识别、跟踪和定位，提高任务执行效果和准确性。

6 人工智能与机器学习在无人机中的应用

人工智能与机器学习在无人机中的应用非常广泛，为无人机提供了智能化、自动化的能力，提高了无人机在各种领域的应用效果。

1）自主导航与飞行控制：人工智能和机器学习技术可以实现无人机的自主导航和飞行控制，提高飞行的精度和稳定性。例如，通过深度学习算法可以实现无人机的视觉导航，让无人机根据摄像头拍摄的画面自主规划飞行路径和避开障碍物。

2）目标识别与追踪：无人机在执行侦察、监测等任务时，需要对目标进行识别和追踪。人工智能和机器学习技术，如计算机视觉和深度学习，可以实现对目标的自动识别和追踪，提高无人机在复杂环境下的执行效果。

3）智能感知与决策：无人机在飞行过程中需要实时感知周围环境，并根据感知结果做出相应的决策。人工智能和机器学习技术可以帮助无人机实现智能感知和决策，提高无人机的自主性和适应性。例如，通过机器学习算法可以实现无人机的异常检测和故障预测，提高飞行的安全性。

4）语音识别与自然语言处理：无人机需要与操作人员进行交互，人工智能和机器学习技术，如语音识别和自然语言处理，可以实现无人机与操作人员的智能语音交互，提高操作体验。

5）数据分析与优化：无人机在执行任务过程中会产生大量数据，人工智能和机器学习技术可以帮助无人机对这些数据进行分析和优化，提取有价值的信息，为无人机的飞行决策提供支持。例如，通过机器学习算法可以实现对无人机航迹的优化，提高飞行效率。

7 地理信息系统（GIS）在无人机中的应用

1）导航与定位：GIS 可以为无人机提供精确的地理位置信息和导航服务。通过将地理空间数据与无人机的实时位置信息相结合，GIS 可以帮助无人机实现自主导航和精确定位，确保无人机在预定轨迹上进行飞行。

2）数据采集与处理：无人机在进行遥感监测、地形测绘等任务时，会产生大量地理空间数据。GIS 可以实时采集这些数据，并对其进行处理、分析和存储。通过GIS 的空间分析功能，可以从这些数据中提取有价值的信息，为用户提供准确的决策依据。

3）实时监控与指挥：GIS 可以结合无人机的实时位置信息，实现对无人机的实时监控和指挥。通过在地图上标注无人机的位置，可以直观地了解无人机的飞行状态。同时，通过GIS 的地理模拟和网络分析功能，可以为无人机提供最优地飞行路径和任务规划。

4）数据可视化与共享：GIS 可以将无人机采集到的地理空间数据进行可视化展示，生成直观的地图和图像。这些可视化数据可以方便地与其他信息系统进行集成和共享，为用户提供全面的地理信息服务。

5）智能决策支持：GIS 可以通过空间分析、地理模拟等方法，为用户提供智能决策支持。例如，在无人机进行灾害救援任务时，GIS 可以根据实时地理信息数据，为用户提供受灾程度分析、救援路径规划等决策支持。

8 结语

电子信息技术在无人机领域的应用主要体现在导航与控制、通信与数据传输、传感器技术、机器视觉与图像处理、人工智能与机器学习、地理信息系统（GIS）等在无人机领域的应用方面。

1）电子信息技术在无人机导航与控制中的应用，为无人机的导航、定位、控制和数据处理等方面提供了强大的支持，使得无人机能够更好地完成各种任务，并在军事、民用等领域发挥重要作用。

2）电子信息技术在无人机通信与数据传输中发挥着关键作用，为无人机的实时监控、指挥和控制提供了技术支持，使得无人机能够在各种环境和条件下实现稳定、高效的通信与数据传输。

3）传感器技术，机器视觉与图像处理技术，为无人机的发展和应用提供了强大的技术支持。

4）人工智能与机器学习技术为无人机的导航、控制、感知、决策和交互等方面提供了强大的支持，推动了无人机技术的发展，拓宽了无人机在军事、民用等领域的应用前景。

5）地理信息系统（GIS）可以提高无人机的导航精度、数据采集处理能力、实时监控和指挥效率、数据可视化和共享水平，以及智能决策支持能力，为用户提供更加完善和高效的地理信息服务。

总之，电子信息技术在无人机领域的应用，不仅提高了无人机的性能和功能，也为无人机在各个行业的应用提供了技术支持。