众所周知,警用安防监控手段的应用为保护公民的人身和财产安全,维护社会和谐稳定起着极大的作用,下面简单概述一种利用系留无人机高空平台搭载摄像头用于监控的新型系统。

系统概述

系留无人机由地面电源供电,通过系留线缆向空中的无人机平台输送电能,可实现无人机不间断的空中悬停,最大悬停高度可达300米以上,且操作简单,一键自动起降,并可根据需要搭载光电监测设备、通信设备等各类应用载荷。

系留无人机系统有以下主要特点:

航时长,地面供电 24 小时不间断滞空

载荷大,最大5kg 有效净载荷

飞行稳定性好,300m高空稳定平台

定位精度高,厘米级精确定位

平台适应性强,地面固定、车载、舰载应用均可

智能化程度高,自动精确跟随移动基站车辆位置

操作简单,一键自动起降

系留无人机警用安防监控系统是系留无人机平台与公共安全、反恐、安防等领域监控需求深度结合的应用,如图1所示,通过在系留无人机上搭载光电吊舱,从高空对地面情况进行监测,并将得到的高清现场图像信息通过系留线缆中的光纤传输到地面车辆内部的监控操作席位上,同时也可通过光纤将监控操作席位对无人机和吊舱的控制指令发送到空中平台上,实现视频和数据的空地双向交互。

图1 系留无人机警用安防监控系统示意图

系留无人机光电监控系统的主要技术指标如下:

留空时间:24小时

悬停精度:水平±0.5m

垂直±0.3m

最大升空高度:300m

最大有效载荷:5kg

抗风能力:6级

有效监测识别范围:人员2.5km,车辆7.5km

工作环境温度:-25℃～60℃(相对湿度90%)

无人机在监控领域的应用优势

无人机应用在监控领域,具有高效、不受空间和地形制约、观察角度多样、响应快速等特点,可以取得传统手段无法获得的巨大功效:

日常监控

定点定期巡检是公安部门日常监控执法的主要手段之一,传统的定点定期巡检方式需要人员频繁地巡检指定区域,人力成本高,巡检效率低,巡检一个区域一次需要3~4人,用时1到2个小时,一个工作日只能检查6~8个区域,还会存在不少的检查死角;而使用无人机进行巡检的话,一般只需要2个人,一个区域一次巡检只需用时5-10分钟,一个工作日可检查30~40个区域,功效可以提高10倍以上,而且由于无人机是高空监测,观察角度多样,利用摄像头对地面进行扫描,在地面上看不见的或看不清的情况,从空中看则是一目了然,这样就能获取目标区域更为全面的图像信息。

此外,执法人员在执法过程中经常会遇到下面的问题:很多违法分子白天没动静,晚上利用黑夜作掩护,偷偷开展违法活动,因为黑夜可视性差的缘故,不利于执法人员的监查。这种情况下,通过无人机搭载热红外摄像头对目标区域进行高空监测,则可以取得意想不到的良好效果。热红外技术利用红外探测器和光学成像物镜,接收被测目标的红外辐射能量,将物体发出的不可见电磁波转变为可见的热图像,不同的温度在热图像上呈现不同灰度的黑白颜色,通过这种红外黑白图像可以清晰地识别出可见光图像无法识别的物体,极大地有利于夜间的监查工作。

应急事件

发生突发性事件时,传统手段一般是执法人员开车赶往事件发生地点,而一旦碰上交通堵塞或其它事件导致人员无法接近现场时,则无法及时掌握现场的情况,对于突发性事件的发展也无法做到及时跟踪,不能有效制定相应的处理措施,非常影响应急处理的时效性。

而无人机不受道路交通物理条件的制约,可以迅速赶往现场,到达人和车辆无法到达的区域上空进行查证,更可以在危险区域上空进行临空查证,通过搭载的摄像头从空中个多个角度第一时间获取现场的全面信息,并将信息实时推送至应急指挥中心,为制定应急处理措施赢得宝贵的时间和第一手的决策依据;另一方面,系留式无人机可以长时间悬停,能持续跟踪和监测突发事件的进展,为制定后续的处理应对措施提供宝贵的资料。

系留无人机在监控领域的应用优势

系留无人机因为其长航时、大载重、操作简易、安全约束、响应快速等突出优点,应用在监控领域,较之高空监控摄像头和普通非系留多旋翼无人机有着许多特有优势。

系留无人机警用安防监控系统与高空监控摄像头相比

高空监控摄像头虽然可以从空中观测一定范围的地面,但由于安装位置固定,只能监测固定范围内的地面情况,如果要将全部监控区域覆盖,就需要大面积加装多处高空监控摄像头,而且有些区域并没有足够高的现有装置或建筑物用以提供高空监控摄像头的安放平台,因此高空监控摄像头在监测中的应用有其固有的局限性。

与固定安装的高空监控摄像头相比,系留无人机警用安防监控系统由车辆进行运输,机动性好、时效性强,能迅速到达指定区域、快速部署并开展监测作业,获得最及时的信息,特别是在发生突发性事件时,可以快速抵达现场,获得第一手材料,具有良好的适应性。

系留无人机警用安防监控系统与非系留多旋翼无人机相比

非系留多旋翼无人机同样可以携带摄像设备进行高空对地观测,且机动性和时效性良好,但将其应用于监测仍有几点明显的不足:一是由于缺少必要的约束,一旦失控,会任意飞向任何地方,带来不可预测的危害,存在较为严重的安全隐患;二是由于其动力完全由电池提供,因此无法进行长航时或大载重的飞行,而执法过程中,经常需要进行长时间的持续监视,而且需要携带摄像、通信传输等多种设备进行作业;三是非系留多旋翼无人机的操作有一定的技术门槛,操作手需经过培训认证。

与之相比,系留无人机由于有线缆的约束,可以有效地确保其飞行安全性,即使飞行出现紧急状况,也可以将其控制到有限的范围内,而不是到处乱飞,最大程度地降低了其飞行风险;另一方面,由于采用系留的方式由地面供电,可以携带大重量的载荷长时间悬停在空中,满足对指定区域进行长时间不间断监测并将所得的高清图像向远端应急指挥中心推送的需求;同时,由于系留无人机的作业只需要在垂直方向起降、悬停即可,因此经过专门的智能化和自动化设计,系留无人机可以一键起降作业,只需要一键设定好高度后一键起飞,即可开展监测作业任务,操作人员使用极其简单,无需经过任何专门的培训认证。

系统组成

系留无人机警用安防监控系统主要包含无人机升空平台和地面系统两大部分,如图2所示:

无人机升空平台:六旋翼无人机、系留飞控系统、机载DC/DC电源模块、光电吊舱;

地面系统:系留综合控制箱(内置系留线缆及收放控制机构和地面AC/DC电源模块)、发电机、地面站。

图2 系留无人机警用安防监控系统组成

整套系统可由车载运输,其中,系留线缆及收放控制机构和地面AC/DC电源模块一同安放于定制的系留综合控制箱中,如图3所示。作业时,车辆装载系统无人机监控系统到达作业地点后,将系留无人机由车上运至地面或方舱顶部,然后由操作人员通过地面站控制其起飞并进行监测作业。

图3 系留综合控制箱

系统作业模式

系留无人机警用安防监控系统具有一键操作,长时间留空作业等特点,适用于长时间监视。系留无人机警用安防监控系统的作业模式分为定期巡检、应急作业两类。

1)定期巡检作业

执法工作的基础是对各区域状况的全面持续监控,而对监控工作的要求具有长期性、全面性等特点,因此需要利用系留无人机警用安防监控系统搭载的可见光和红外摄像机定期对指定区域在白天和晚上按照一定频次进行巡检,并根据季节特性,在不同季节安排不同的巡检频次:

首先根据监控需要制定飞行任务和计划,主要是确定巡检区域、飞行的高度和飞行的持续时间;

系留无人机一键起飞后开始作业,由机载光电吊舱中的可见光和红外摄像机对指定区域进行360°的巡检;

将获取到的可将光和红外图像通过光纤传输到车辆内部的监控操作席位,显示在大屏幕上供执法人员实时监视,同时将可见光和红外视频图像存储至本地以备取证和核查;

一旦发现可疑现象,执法人员通过控制光电吊舱进行视频搜索和排查,确定可疑情况,并进行分析,提取所有证据,迅速做出决策。

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图4 系留无人机警用安防监控系统定期巡检作业流程

应急状况作业

当某个区域内出现异常状况或突发事件时,按照以下步骤开展作业:

首先查看该区域内是否有可用的系留无人机平台,如果区域内有可以正常工作的系留无人机则立即控制无人机起飞作业;

如果此区域内没有系留无人机则调派最近的系留无人机开赴现场,到达现场后找到合适的区域升空作业;

飞机升空后通过机载的光电吊舱实时采集可见光视频或红外光视频,并传输至车载监控操作席位,显示在大屏幕上;

执法人员控制光电吊舱进行视频搜索和排查,确定可疑情况,并进行分析,迅速做出决策。

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图5 应急状况作业示意图

系统设备清单

一套完整的系留无人机警用安防监控系统包括无人机飞行平台、系留线缆、系留综合控制箱、发电机、地面站、光电吊舱、航空箱及工具箱等设备,设备清单如下表所示:

系统设计

六旋翼无人机平台

六旋翼无人机平台是北京卓翼智能科技有限公司专门为系留无人机系统开发的安全、稳定、高效的无人机平台,并定制专用的航空箱,以确保其运输中的安全,如图6所示。

图 6 六旋翼系留无人机平台及其航空收纳箱

机身

六旋翼无人机机身采用高强度碳纤维一体成型技术,碳纤维材料拥有更轻的重量和更高的强度,保证了飞行器的整体强度并兼具一定的韧性;

重要连接件采用航空铝CNC加工,既保证结构强度又控制了整机重量;

整机采用机臂快速可拆卸结构,拆卸时间小于2分钟,利于包装和运输;

动力系统采用大功率高效盘式电机,配合碳纤维螺旋桨,提供了超强的负载能力;

六旋翼无人机技术参数如下:

飞控系统

针对系留无人机一键起降、自动悬停、精确锁高、精准定位、抗风稳定等要求,专门为系留无人机系统研发了高集成度、高可靠性的专业级飞行控制系统。该飞行控制系统集成了高精度的工业级MEMS惯性传感器、高精度差分模块以及高精度航空天线,并且以高标准制造工艺,实现稳定可靠的飞行性能和高精度自动驾驶及导航定位功能,如图7所示。

图 7 系留无人机飞行控制系统

出色的惯导融合算法

基于非线性EKF姿态滤波算法和INS组合导航算法,提供高精度的无人机运动信息。自动根据GPS卫星状态,在INS与AHRS/DR之间切换,即使飞行过程中定位信号丢失,也可以依靠航位推算功能继续飞行。

卓越的飞行控制输出

非线性制导率和非线性姿态控制算法,提高了系统鲁棒性。

全自动起降功能

通过与遥控器或地面站的配合控制,可实现一键起飞、一键降落,降低使用难度。

极强的抗风性

通过非线性姿态控制算法,不依赖于对象的精确数学模型,适用于参数变化范围宽、干扰作用大的非线性系统,抗风等级达到6级

深度集成差分GPS

集成高精度实时差分模块,定位精度±5cm,支持全自主起降、精确定高,有效解决了系留无人机的精确锁高、精准定位等问题。

机载电源

机载电源系统将系留线缆输送的高压直流电转换为低压直流电供无人机电机使用,同时可输出24V、12V、5V等多个等级的电压以满足无人机飞控及载荷的供电需求。该电源模块具有高可靠性、高效率、高功率密度、低纹波噪声等特点;

额定输出功率:12KW

典型效率:94.5%

输出电压可调40～50Vdc

工作壳温:-55℃～100℃

输出过压、过流及短路保护

输入过欠压保护

模块过温保护

具备均流功能

禁止/使能控制

光电吊舱

轻型光电吊舱是专为系留无人机设计研发的一款用于低空观测的高精度光电吊舱设备,配备高清彩色可见光摄像机及高分辨率红外热像仪,具有体积小、重量轻、功耗低、传输远、操作简便,安装快捷等特点,如图8所示。

2轴稳定平台,体积小、重量轻、精度高

稳定精度优于50μrad

双系统陀螺仪,可靠性高

SONY原装可见光摄像仪

FLIR原装红外机芯及镜头

高清HD-SDI输出接口

碳纤维外壳,航空铝合金框架

电机、旋变、连接器等电器插件按军标选用,质量可靠

图 8 光电吊舱

该型光电吊舱可对地上、海上、空中目标进行搜索、监视、跟踪,并提供可见光和红外两路视频图像,主要包括以下功能:

具有在运动载体上对视轴进行稳定的功能(二轴稳定);

可进行在线零位校准、零漂修正等维护操作;

可实现搭载光电设备的调焦、变倍、视场切换功能;

可通过高清视频信号接口将可见光与红外视频图像对外输出;

可通过通讯接口接收系统外设备发出的指令信息。

光电吊舱的主要技术指标如下表所示:

系留线缆

系留线缆采用光电复合缆设计,既负责电能的输送,同时也要通过其中的光纤传送信号。考虑到系留无人机对线缆的要求不仅要细,而且要轻,还需要高压送电,因此专门设计了特殊的线缆工艺,并通过专业线缆厂家进行定制生产,如图9所示。

图 9 系留线缆

系留线缆具有以下特点:

重量轻,采用轻型合金导体,并采用航空线缆的先进设计以大幅减轻重量,每百米重量仅有3.7Kg;

线缆耐电压非常高,该线缆可以承受3000V高压;

线缆绝缘材料使用机器人线缆的高温塑料,可以承受长时间的反复弯曲;

抗拉力大,该线缆的抗拉力由专用的超高强度纤维来承担,抗拉力大于1000N以上;

载流量大, 可以通过15A的高压直流电;

线缆内部包含4根抗微弯光纤,可提供优良的光传输性能,配合光电转换终端可提供高清视频、千兆网络等接口,可以传输高清视频及控制信号,抗干扰能力强。

系留线缆技术指标如下:

系留综合控制机箱

系留综合控制箱如图10所示,其中箱内安装有线缆控制机构和地面电源模块。

图10 系留综合控制箱

系留综合控制箱技术指标如下表所示:

线缆控制机构

由于系留无人机系统需要根据无人机空中平台的状态自动收放系留线缆,因此专门设计了智能化的线缆控制机构,如图11所示,具有如下功能:

图 11 系留线缆收放控制机构

采用进口电机及进口传感器,保证系统的稳定性和控制精度;

无人机起降落时自动收放线;

精确测量线缆长度,并根据飞行高度自动控制收放线的速度;

精确测量线缆拉力,根据无人机拉力自动调节力矩,保证线缆一定张力;

线缆拉力大于阈值时,自动释放电缆,以保护飞机的稳定;

无人机位置小范围晃动时,通过缓冲装置保证线缆的平滑收放控制;

收线时自动排线,保证线缆均匀的缠绕在转轴上。

地面电源模块

地面端AC/DC电源模块将发电机输出的交流电转化为稳定可靠的直流电,通过系留电缆输送到机载端,供无人机使用。该AC/DC电源核心模块产品具有体积小、重量轻、转换效率高等特点,可在各种苛刻环境中稳定工作,功能如下:

380V交流电转化为800V直流电

输出过流及短路瞬时保护及故障隔离

输入过欠压瞬时保护及故障隔离

输出过压瞬时保护及故障隔离

过温保护

带CAN通讯(隔离)

发电机

发电机采用进口三相380V发电机,具有体积小,重量轻,使用稳定性可靠等优点,如图12所示。

图12 三相发电机

其技术参数如下:

地面站

系留无人机系统选用专门设计的“三防”工业级地面站,通过地面遥控设备可以方便地控制系留无人机的起飞、悬停和下降,能够实现地面与机载设备的实时通信,监控无人机工作状态。为了更好地适应系留无人机系统的野外工作环境,地面站硬件专门定制了具有“三防”能力的工业级加固笔记本,抗震动、抗冲击,防水、防尘,宽温、电磁兼容设计,如图13所示。

图13系留无人机地面站硬件和软件系统界面

地面站主要实现以下功能:

起飞前进行飞行器校准、设置飞行参数;

一键控制无人机起飞、降落;

飞行过程中方便地查看飞行数据,并可对飞行器进行实时的高度和航向控制。

地面站主要技术指标如下:

系留无人机警用安防监控系统的安全措施

为了确保系留无人机警用安防监控系统的安全可靠运行,针对系留无人机作业的特点,专门设计了以下的安全措施:

系留无人机飞控采用工业级IMU传感器,具有稳定性好,数据漂移小、抗冲击性能强,高低温适应性好的等优点。惯性导航单元采用冗余设计,飞控采用两组独立的IMU设计,当一组IMU发生故障或出现错误测量数据时,自动切换到另外一组IMU。非线性EKF滤波算法融合了加速度计、陀螺仪、磁传感器、气压计、GPS等多种传感器数据,保证无人产位置姿态数据的平滑和稳定。

系留无人机采用多种卫星定位技术,同时安装一套差分GPS系统和一套单点GPS系统。差分GPS定位系统可以提供近似厘米级的定位精度,当差分GPS出现故障时,单点GPS系统自动切换,保证系统正常工作。

系留无人机飞控具有多重安全措施保证系统的稳定性。

无人机数据链出现异常后,无人机自动降落;

GPS信号出现遮挡并且一段时间内无法恢复正常,无人机自动降落;

无人机供电系统出现故障,系统自动切换到备用电池供电,并且自动降落。

为了防止电源系统故障造成严重的坠机事故,系留无人机通过备电系统保证地面电源系统发生故障时,飞机可以正常返航,因此对系留无人机的备电系统进行了专门设计:

电源系统监测

通过各种传感器实时测量电源系统的电压、电流、温度等参数,通过这些状态实时监控电源系统的健康状态。一旦发生故障,迅速发出报警并启动备用电源系统。

备电快速切换

主电源发生故障时,需要保证备电系统进行无缝切换。系统通过可控硅进行切换,系统反应时间可小于1ms。

备用电池智能管理

对备电电池电压、电流进行实时监控,当电池性能下降时,及时通知用户进行电池更换。

系统使用与维护说明

使用说明

(1)执行任务前检查

此项准备针对执行任务前,操作人员对设备应进行如下检查:

检查机载备用电池容量是否充足;

检查机载设备的各连接插头,确保无松动情况;

将无人机与地面站连接,并通电测试,确保飞控系统工作正常(手动遥控器控制状态正常、软件界面各项指示参数正常);

测试线缆收放机构是否正常工作。

(2)设备部署展开

选择一处较为开阔地带作为系留无人机起降场地,确保起降位置周边20米之内没有树木、高压电线等障碍物;

将系留无人机放置在相对水平的平面上,将折叠机臂展开并锁紧;

将线缆插头与无人机上的插头连接并锁紧;

启动发电机开始工作;

开启地面站电源,启动地面站操作软件,如图14所示;

图14 系留地面站主界面

(3)起飞前检查

检查机体以及各部件的状态是否符合飞行条件;

启动无人机电源,开启飞控系统,飞控启动自检程序,检查飞控系统与各机载设备之间连接是否正常;

检查地面站与无人机飞控系统通讯是否正常,机载设备回传的各项参数指标是否正常;

开启任务载荷电源,检查任务载荷工作是否正常。

(4)无人机起飞、悬停和降落

通过遥控器解锁无人机飞控,电机启动并低速运行;

如图15所示,在地面站软件中设置无人机悬停高度,点击起飞按钮,电机加速运行,无人机自动起飞,上升至对应高度后悬停。

图15 系留地面站高度、航向设置和起降控制

启动任务载荷开始工作,过程中始终注意地面站界面上显示的无人机各项参数是否正常;

若想改变无人机悬停高度,则重新在地面站中输入高度值,并点击改变高度按钮,无人机自动上升、下降来改变悬停高度;

若想改变无人机悬停时的航向,则重新在地面站输入航向角值,并点击设置航向角按钮,无人机自动原地转头至机头朝向新的航向;

任务执行完毕后,在地面站软件中点击降落按钮,无人机自动降落至起飞初始位置;

通过遥控器锁定飞控系统,可根据需要重复步骤再次起飞。

(5)飞行结束后检查并收回

重复起飞前检查的所有项目;

关闭任务载荷电源,关闭无人机电源,断开与地面电源的连接,关闭发电机;

将无人机机臂折叠后放入设备箱。

紧急情况处理

(1)地面站故障

地面站软件无法启动,应重启地面站,并及时联系供应商进行软件升级。

地面站软件操作无响应,迅速断开数据传输模块的连接器,无人机自动降落。

地面站使用过程中意外关机,无人机检测到与地面站断开通讯后自动降落。

(2)导航定位故障

起飞前定位设备无法正常定位,无人机无法起飞,请确认周边环境是否存在干扰源或障碍物,并重启定位设备。

飞行中无人机悬停位置出现较大幅度偏差,且10秒之内无人机无法自动修正位置偏差,点击地面站降落按钮,无人机将依靠自身惯导设备迅速降落。

(3)通讯故障

无人机与地面遥控设备失去通讯时间超过5秒后,无人机自动降落。

售后服务

我公司承诺我公司的设备的质量保修期为三年,即自产品交付使用、验收通过之日起三年内提供免费保修服务,但对于用户方的违反操作规程、错误操作、野蛮使用、工作疏忽、擅自维修、实施改装等人为造成的损坏及不可预见的灾难性破坏和被盗等,不在免费保修范围之内。

我公司为使用单位提供终身维护服务,保修期外设备出现故障需更换配件,我公司免费为使用单位维修,只收取配件的成本费。

我公司为用户提供整套的系留无人机警用安防监控系统方案等文档资料。

我公司为用户提供用户使用软件因稳定性造成的软件BUG的维护和更新。

我公司为用户提供电话服务和现场服务等多种售后服务和技术支持,在公司总部及办事处所在地由我公司负责,其他地区由当地代理商负责,为用户提供现场支持。在无代理商的地区则以电话服务为主,必要时经协商,也可以提供现场服务。

在提供现场服务的地区,如因产品问题,会及时派遣技术支持人员为用户进行免费维护及抢修工作。设备故障报修的维修响应时间:工作日内9:00～18:00,其余期间为24小时内响应。

如果设备故障在检修8小时后仍无法排除,我方将在24小时内提供不低于故障设备规格型号档次的备用设备供项目单位使用,直至故障设备修复。如故障设备在7日内未能排除故障,我公司承诺更换新设备,原故障设备退回给我公司。

若属系统应用范围变更,或者用户新增功能需求,我公司或代理商经确认可行后,也可根据用户的要求派遣技术人员提供现场服务并配合施工,该情况下经双方协商需收取一定差旅等费用。

培训

公司提供用户系留无人机警用安防监控系统相关的使用和维护的专业技术培训;按照工程项目的进展情况,也可以提供现场培训和技术指导。这一服务是用来保证整个系统具有长远性及高品质。

现场培训

如果情况需要,配合现场情况,我公司及代理商将安排用户方技术负责人员在系统安装、测试和验收过程中的技术培训。目的是使用户方对整个系统的技术规范与安装规范取得充分的了解,对操作人员将进行的全面、系统的技能培训,使操作人员熟练掌握整个系统的操作运行;同时,将对维修人员进行更为细致的技术培训,使其彻底掌握整个系统的构成及各类设备主要部件的功能,能熟练准确地判别故障原因、故障部件,并予以更换或维修。

专业培训

我公司及代理商将提供用户方有关人员专门培训,培训时间为不少于1周,

培训内容为:

系留无人机警用安防监控系统的原理

系留无人机警用安防监控系统性能介绍

系留无人机警用安防监控系统使用方法

系留无人机警用安防监控系统飞行培训

系留无人机警用安防监控系统维护培训

具体培训时间将由双方协商确定。