无人机高速管理怎么创新（利用无人机开展高速公路监控的可行性分析）

147小编 2023-08-13

黄凯王文辉

中咨公路养护检测技术有限公司

摘要：以传统固定摄像机为代表的闭路电视监视系统由于缺乏灵活性，已经难以满足高速公路管养单位对视频监控灵活性的要求，折中的解决方式是采用加大摄像机的安装密度，提高摄像机的清晰度水平，但是难以从根本上解决根本的需求，随着无人机技术及5G传输技术的发展成熟，目前从技术上来说已经具备了采用无人机实施动态监控的储备，本文从发展这一技术的背景意义出发，全方面探讨了实施这一技术方案的可行性。

关键词：无人机;监控;5G传输;

1 背景与意义

截至2019年底，我国高速公路线路里程达14.96万km，这些高速公路很多建在居住密度较低地区，管理者对其监管力度较弱，且高速公路监控设施一般分布在出入口，发现险情和事故处理相对缓慢，易造成重大连环交通事故和高速公路交通堵塞，导致道路通行能力和服务水平降低。

实现无人机的高速公路监控既可在较少资金投入情况下更加全面、及时的了解高速公路运营状况，对一些道路特殊节点以及中间路段都有很好的监控作用。方便对高速公路出现的突发状况应急调整，实时改进交通控制策略，在相关平台和软件上发布高速公路运营情况，方便驾驶人制定出行计划。

2 发展现状与趋势

近10年来，无人机行业发展迅猛，很多行业依靠无人机技术实现了安全和效率的提升。农业依靠保植无人机实现了自动化喷淋，电力和桥梁行业依靠无人机代替工作人员高效地完成了很多危险且复杂的检测工作。无人机在交通行业的应用也将大幅度减少交通安全事故的发生，方便管理者对交通系统的管理与控制。但无人机在高速公路监控中的使用并不广泛，只有少数省份进行过试验，但并未深入发掘。

3 技术关键

迄今为止尚无将无人机应用于高速公路监控的成熟经验提供借鉴，若将无人机技术应用于高速公路监控还需要注意以下关键技术，必要时进行进一步研发和改进。

3.1 信号接收半径

市面上无人机的信号接收半径多在7km以下，大疆(DJI)的专业版无人机可以实现7km范围内远程遥控、图像实时传输(如图1所示，通过遥控器外接设备)。无人机一次充电可飞行约25min，当前技术已满足无人机飞行速度达到60-82.8km/h，该速度可使无人机在20min内飞行7km距离，覆盖信号接收半径。当5G基站铺设之后，如果采用公网传输，以基站为传输节点，那么信号的覆盖范围能够大大增强。

图1 无人机与移动设备的实时信号传输下载原图

3.2 录像和拍照功能

录像和拍照功能是目前市场上无人机的基础功能，但为了实现无人机高速公路监控则需要更加强大的录像和拍照设备。

普通无人机搭载相机云台的夜视能力较差，当光线<15lux时相机基本不能实现相关工作，而高速公路除收费站、服务区等房建设施和隧道有照明系统外，基本没有沿线照明设施，这为夜间无人机高速公路监控带来难题。目前农业用植保机可携带探照灯，方便无人机夜间工作。

另一种简单有效的方法是将无人机的相机云台改为带有夜视装置的云台，这样可充分发挥其监控性能。

3.3 载重能力

除去以上问题，载重也是实现无人机高速公路监控的另一艰巨挑战。目前工业用无人机可做到的最大可靠起飞重量为24.8kg(超大容量电池885×2，相机云台500g，雷达500g，而机身重量差距较大，最重保植机9.7kg),21.6kg基本符合高速公路监控设备负载标准。

3.4 视频图像的传输和坐标的获取

3.4.1 视频图像的实时传输

现有技术手段已经可以实现外接移动设备或电脑与无人机之间的信息实时传输，在高速公路监控时需要考虑到拍摄视频的清晰程度和软件捕捉图像的灵敏度，也需要对能够满足高速公路视频监控清晰度的无人机飞行速度进行研究。

图2 已实现无人机图像传输距离为5km 下载原图

图3 无人机与PC端的实时信号传输下载原图

3.4.2 无人机实时坐标的获取

除了图像外，无人机还可将所在位置坐标实时传给地面站，无人机的位置坐标能为工作人员查找高速公路事故地点或隐患区域带来很大的帮助。

3.4.3 地图合成功能

当使用二维地图合成模式的航拍任务完成后，会弹出照片导入提示，用户可将飞行器所拍摄的照片直接下载至相关软件，后台可针对所有拍摄照片进行地图合成，该地图可用作以后工作的指导地图。

3.5 路径规划

新一代无人机可利用摄像头通过飞行确定边界点(如图4)，辅助路径规划，节省人力物力。现行技术已支持航线得智能规划，操作人员亦可对飞行轨迹进行编辑或修改，航线规划较为灵活，作业操控较为便捷。

图4 无人机边界点划定下载原图

图5 无人机智能规划作业下载原图

为了更加安全、高效的实现对高速公路的监控，可对无人机设置虚拟护栏，无人机将在虚拟护栏范围内飞行和工作。该项技术目前已发展成熟，可以直接实现。

图6 虚拟护栏下载原图

3.6 电能储备与充电

市面上民用无人机续航时间都在30min以内，行驶里程严重受限于电池容量。就无人机行业领先品牌———大疆来讲，配备电池皆为Li Po6S型充电锂电池主要有普通容量版4280m Ah和大容量电池7660m Ah两种，这两种电池的自重分别为520g和885g。大容量电池虽然在续航方面做出一定贡献，但也因此消耗掉了一大部分载重，并不是改善无人机续航问题的好办法。太阳能的无人机供电技术仍在试验室阶段，且多为军备设施，短时间内不会大规模投入到民用无人机的生产中。

将无人机应用到高速公路监控活动中，需要对无人机进行频繁的充电，若在此环节实现无人机自动判断自身电量信息，获取目标充电站信息，并能够实现自主导航并精确降落在充电站指定区域内进行无线充电则可节约人力物力，只需计算合理距离，在高速公路沿线布设无人机充电装置即可。

无线充电技术是一种新兴的充电技术，主要有电磁感应式、无限电波式和磁场共振式和电场耦合四种，其中前两种技术较为成熟。电磁感应式充电技术是最古老，当前最为普遍且成熟的无线充电技术，国际无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)在2012年推出了第一个无线充电国际标准Qi标准，其基础就是电磁感应式充电技术。

表1 四种不同形式无线充电优缺点对比下载原图

目前很多无线充电都是通过电磁感应手段完成的，如三星手机和苹果手机，且手机电池的容量与无人机电池容量相差不大(i Phone X电池容量为2716m Ah，而无人机普通电池为4280m Ah，大容量电池为7660m Ah)。使用无线充电技术为无人机供电还是有可能实现的，若应用这项技术，还有以下几点需要注意:

工业用无人机通常配备几块电池，如何实现对多块电池甚至多台无人机同时无线充电;

无人机的精准降落环境要求较高，保证地面纹理不是太少，光线不是特别暗(>15lux))或强光照射等;

无人机充电时间较长(一般两到三个小时)，而一次充满电量的飞行时间大约在半小时以内，形成长时间的“空窗期”。为有效提高监控的频率，可在一个路段上布设多台无人机以保证监控的连贯性和实时性。

3.7 环境适应性能

3.7.1 温度适应性能

已投入生产的工业无人机可以在-20℃—45℃下工作，基本满足我国大部分地区的温度条件，但充电温度要求5℃—40℃，若要进一步适应高速公路检测温度环境还应进一步提升无人机本身的温度适应性能。

3.7.2 防尘防水适应性

从目前无人机防尘防水性能来看，大部分工业无人机具有IP43的防护性能，即能够防护1.0mm及以上直径的外来物体，和以60°角从垂直线两侧溅出的水引起的损害。但一些特殊工作条件的无人机具有更高的防尘防水性能，如DJI的植保类无人机，防护性能已经做到了IP67，即尘埃无法进入，且常温常压下，无人机外壳暂时浸泡在1m深的水里不会对机身产生不利影响。

因此，对无人机高速公路监控可行性分析时，防尘防水性能基本不会成为方案实施的阻碍。

3.7.3 信号强度适应性

无人机的最大航行距离和有效的实时数据传输有赖于良好的数据传输，而目前试验测得最长图像传输距离为5km/s，该结果是在空旷无遮挡的室外条件下测得。若检测路段中含隧道等遮蔽设施，将严重影响无人机的信号发出与接收，该类影响还需进一步针对性试验获取结果。有些机型在信号条件较差环境下仍可进行测量操作，但自动返航与图像传输功能将受到干扰。