22、智慧城市中基于云的无人机管理系统-优快云博客

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智慧城市中基于云的无人机管理系统

1. 引言

无人机，即无人驾驶飞行器（UAVs），在军事和商业领域都发挥着至关重要的作用。它们能够自动飞行，无需人工直接操控，还可配备各种物联网设备，如传感器和负载，以执行特定任务。近年来，无人机在交通监控、农业测绘、货物配送等多个领域得到了广泛应用。

2019 年，无人机市场规模达到 193 亿美元，预计到 2025 年将达到 458 亿美元。无人机在监测、农业、产品配送等方面的广泛应用推动了市场的增长，其中军事应用的增加是市场增长的重要驱动力。

从地区分布来看，2019 年北美是无人机最大的市场，预计未来几年仍将保持领先地位。美国和加拿大等国在边境和海洋监测项目中对无人机的采用不断增加，推动了该地区无人机市场的增长。

随着无人机应用的不断增加，其管理问题也日益凸显。在城市环境中，大量无人机的活动可能导致事故增加，威胁城市空中交通和安全。因此，需要有效的无人机管理系统来解决这些问题。

1.1 无人机市场现状

地区	2019 年市场规模（亿美元）	未来趋势
北美	19.3	预计持续增长，保持最大市场地位
欧洲	-	-
亚太地区	-	-
中东	-	-
拉丁美洲	-	-
非洲	-	-

1.2 无人机管理面临的问题

被动监测系统使用困难 ：由于飞行高度低和建筑物高大，被动监测系统难以有效监测无人机。
冲突/障碍物检测与解决复杂 ：城市交通密集，存在大量建筑物等障碍物，增加了冲突检测和解决的难度。
需要经济有效的解决方案 ：无人机运营成本低，需要低成本的无人机交通管理系统。

2. 相关研究

2.1 无人机跟随模型

在之前的研究中，提出了无人机跟随模型来管理城市环境中的无人机。该模型基于定义无人机的加速度，取决于其与前方无人机的速度变化和间距。数值模拟结果表明，该模型可以保持无人机之间的安全距离，避免交通流量事故。但需要将无人机的运动方程集成到模型中，以进一步改进该方法。

2.2 基于物联网的无人机控制平台

室内控制平台 ：有研究提出了一个用于室内控制协作无人机的物联网程序。该平台由定义飞行计划的 Web 应用程序、连接服务器和无人机的本地 Wi-Fi 网络以及连接的无人机组成。用户可以使用室内飞行计划控制多个连接的无人机，该方法可以同时控制多个无人机，并且通过传感器可以自动显示监测任务的数据。但该平台不适用于高级服务。
高级服务平台 ：基于物联网的系统可以管理和监测网络无人机。这些无人机可以在紧急情况下按需部署，以改善网络质量。通过检查无人机的高度和间距来管理网络无人机。

2.3 安全通信协议

由于无人机的广泛应用和安全漏洞，需要安全的通信协议来确保无人机与地面控制站（GCS）或最终用户之间的安全连接。有研究设计和开发了一种安全的通信协议，分析了不同的通信协议，如 UranusLink、UAVCAN、MAVLink，并认为 MAVLink 是无人机连接的标准协议，但需要安全工具来加密信息。

2.4 路径规划技术

有研究提出了一种基于粒子群优化算法的路径规划技术，用于为每个无人机生成所需的轨迹。该方法简单易行，能够为编队中的每个无人机生成最优路径。

2.5 安全法规

无人机飞行靠近人员和财产，安全法规在无人机管理系统中起着重要作用。所有无人机必须按照联邦航空管理局（FAA）的法律进行控制和监管。当前的无人机法规主要关注以下三个方面：
- 管理无人机对空域的使用
- 建立确保合适飞行的操作条件
- 实施飞行确认、飞行员许可和信息收集签名的监管方案

3. 基于云的无人机管理系统

基于云的无人机管理系统（CbDMS）受到物联网和无人机互联网（IoD）技术的启发，在处理复杂和活跃的交通流量方面表现出色。该系统有三个主要层次：

graph LR
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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(物理层):::process --> B(云层):::process
    B --> C(控制层):::process

3.1 物理层

物理层主要指无人机，无人机可执行多种任务，如监视、交通监测、无线网络应用、货物交付等。该层包含多种网络组件和协作方式，如无人机到无人机（D2D）或无人机到目标（D2T）。通过无线技术（分为短程和长程两类）与物联网云连接。无人机从云层接收控制信号和交通状况信息，以响应控制层中地面控制站（GCS）的需求。

3.2 云层

云层有三个主要组件：
- 存储组件 ：用于存储来自无人机的环境、位置和任务信息等数据流。根据应用需求，数据可存储在常规的结构化查询语言（SQL）数据库或共享数据模型中，支持对保存信息进行大规模组处理的显示。
- 计算组件 ：数据处理有实时流处理和批处理两种类型。实时流处理用于检测关键事件或潜在威胁；批处理用于通过存储传入数据查看关键情况。执行多种计算算法，如图像处理、Map/Reduce 作业和数据分析，可减少处理时间并提高性能。
- 接口组件 ：包括网络和 Web 服务接口，用于物理层和控制层之间的通信。云层是 CbDMS 的核心管理部分，负责在物理层和控制层之间传输数据，管理网络管理和资源分配。控制层向云层的中央控制器定义必要的策略，控制器将这些需求传递给物理层的无人机。该层的接口可以使用多种不同的通信协议，如蜂窝、无线局域网（WLAN）、低功耗广域网（LPWAN）和无线个人区域网（WPAN）。根据不同的无人机应用、目标和总体需求，可以使用多种连接方式以获得更可靠的信息、真实性和质量。

3.3 控制层

控制层即地面控制站（GCS），用于控制和管理交通流量中的无人机。GCS 对于在飞行场地附近或内部监测无人机至关重要。它收集、处理和转换来自无人机的信息，并将其提供给同一网络中的不同用户。该层由应用程序软件组成，可向无人机发送控制信号并接收数据。用户可以通过基于云的数据进行分析，记录无人机、设置和修改任务参数。该应用程序还允许远程飞行员通过连接/断开可用无人机来远程监控和控制无人机及其任务。

4. 无人机的构成元素

4.1 软件部分

无人机的软件系统是其实现各种功能的基础。它包含飞行控制软件，用于控制无人机的飞行姿态、高度、速度等基本参数。例如，通过预设的算法，软件可以根据传感器反馈的数据自动调整无人机的飞行方向，以保持稳定飞行。此外，还有任务执行软件，根据不同的任务需求，如货物配送、环境监测等，来规划飞行路径和执行相应的任务动作。

4.2 硬件部分

传感器 ：无人机配备了多种传感器，如全球定位系统（GPS）传感器，用于确定无人机的位置；惯性测量单元（IMU），可以测量无人机的加速度和角速度，辅助飞行姿态的控制；视觉传感器，如摄像头，可用于图像采集、目标识别等任务。
动力系统 ：一般由电机、螺旋桨和电池组成。电机驱动螺旋桨旋转，产生升力使无人机能够飞行。电池为整个无人机系统提供电力，其续航能力直接影响无人机的飞行时间。
通信模块 ：用于与地面控制站或其他无人机进行通信。常见的通信方式有 Wi-Fi、蓝牙、4G/5G 等。通过通信模块，无人机可以接收控制指令，同时将自身的状态信息和采集到的数据传输回地面。

4.3 通信单元

通信单元是无人机与外界进行信息交互的桥梁。其工作流程如下：
1. 地面控制站发送控制指令，通过通信协议将指令编码。
2. 编码后的指令通过无线通信方式（如 4G 网络）传输到无人机的通信模块。
3. 无人机的通信模块接收到指令后进行解码，将其传递给飞行控制软件。
4. 飞行控制软件根据指令调整无人机的飞行状态。
5. 无人机将自身的状态信息（如位置、速度、电量等）和采集到的数据（如图像、传感器数据）进行编码。
6. 编码后的数据通过通信模块发送回地面控制站。

5. 实验研究与评估

5.1 实验目的

进行通过互联网（4G D - com Viettel）监控和控制无人机的实验，旨在评估监控和控制无人机的实时性能。

5.2 实验步骤

准备工作
- 选择合适的无人机型号，并确保其硬件和软件系统正常运行。
- 搭建地面控制站，安装相应的控制软件和通信设备。
- 测试 4G 网络的稳定性和信号强度，确保通信质量。
设置实验参数
- 定义无人机的飞行路径和任务，如飞行高度、速度、飞行范围等。
- 设置监控和控制的时间间隔，确定需要采集的数据类型，如飞行姿态、位置信息等。
进行实验操作
- 启动无人机，通过地面控制站发送起飞指令。
- 在飞行过程中，实时监控无人机的状态信息，包括位置、速度、电量等。
- 尝试发送不同的控制指令，如改变飞行方向、高度等，观察无人机的响应情况。
数据采集与记录
- 记录无人机在飞行过程中的各项数据，包括传感器数据、通信延迟时间、控制指令的响应时间等。
- 对采集到的数据进行整理和分析，绘制相关的图表，如飞行轨迹图、状态变化曲线等。

5.3 实验结果分析

通过对实验数据的分析，结果表明所提出的基于云的方法是一种能够在实时环境中管理和控制无人机的云解决方案。具体表现如下：
|评估指标|实验结果|
| ---- | ---- |
|通信延迟|在可接受的范围内，能够保证实时控制的需求。|
|控制指令响应时间|响应迅速，无人机能够及时执行控制指令。|
|飞行稳定性|在整个实验过程中，无人机飞行稳定，能够按照预设的路径和任务要求完成飞行。|