張鐸，吳佩利，鄭學(xué)召，郭軍

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.國(guó)家礦山救援西安研究中心， 陜西 西安 710054)

0 引言

礦井災(zāi)害救援時(shí)，快速、精準(zhǔn)確定被困人員位置是事故救援的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)營(yíng)救方式是救援人員通過(guò)巷道進(jìn)入受災(zāi)區(qū)域來(lái)展開(kāi)救援[1]。但發(fā)生災(zāi)害時(shí)期，巷道環(huán)境復(fù)雜多變，若貿(mào)然通過(guò)，危險(xiǎn)性大，容易造成二次傷害，給災(zāi)區(qū)救援偵測(cè)帶來(lái)很大的困難。

目前，救援機(jī)器人被用來(lái)代替救援人員進(jìn)入受災(zāi)區(qū)域，及時(shí)獲取多種環(huán)境參數(shù)，并實(shí)時(shí)傳回救援指揮中心[2]。然而，救援機(jī)器人存在體積較大、靈活性差及越障能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)，不能有效滿(mǎn)足實(shí)際需求[3]。而無(wú)人機(jī)具有體積較小、造價(jià)低廉、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)及靈活性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，已在目標(biāo)跟蹤、應(yīng)急通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)可進(jìn)入井下巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)偵測(cè)，利用傳感器對(duì)井下的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、環(huán)境溫度及傷員位置等信息進(jìn)行采集與處理，并將這些信息通過(guò)數(shù)據(jù)及視音頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)骄仍笓]中心，為救援指揮人員提供決策依據(jù)，以便能最大限度地降低人員傷亡事故發(fā)生的可能性。

礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)在井下受災(zāi)區(qū)域能否安全高效避開(kāi)障礙物，實(shí)時(shí)偵測(cè)到環(huán)境信息是提高救援效率的關(guān)鍵。本文主要介紹礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)的研究現(xiàn)狀，分析礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

1 礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行了深入研究，特別是在動(dòng)力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面取得了很大進(jìn)展。礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電源和旋翼機(jī)構(gòu)。

在電動(dòng)機(jī)方面，選擇何種電動(dòng)機(jī)需要考慮到動(dòng)力電源型號(hào)、無(wú)人機(jī)機(jī)身質(zhì)量及線圈粗細(xì)等眾多因素，否則會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)損壞，影響動(dòng)力系統(tǒng)。蔡剛[5]設(shè)計(jì)了基于磁場(chǎng)定向控制的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解決了電動(dòng)機(jī)控制效率低的問(wèn)題。何帥等[6]采用基于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理的三相全控電橋控制電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)調(diào)速與控制性能大幅提升，更好地滿(mǎn)足了實(shí)際需求。莊乾成等[7]采用DSP控制器設(shè)計(jì)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路，提高了電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性和可靠性，為研發(fā)可靠、高效的動(dòng)力系統(tǒng)提供了參考。現(xiàn)在多數(shù)礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)采用的是無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)相比普通電動(dòng)機(jī)有更為出色的調(diào)速性能，應(yīng)用非常廣泛[8]。

圖1 礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of mine detection unmanned aerial vehicle system

在動(dòng)力電源方面，礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源主要包括燃料電池、太陽(yáng)能電池和鋰電池等。戴月領(lǐng)等[9]通過(guò)對(duì)燃料電池?zé)o人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行飛行測(cè)試，設(shè)計(jì)了動(dòng)力系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，提升了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)水平。張曉輝等[10]設(shè)計(jì)了礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)的純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)，并與其他動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比，結(jié)果表明純?nèi)剂想姵夭贿m用于具有高機(jī)動(dòng)性的礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)。曹金亮等[11]分析了鋰離子電池的發(fā)展背景和工作原理，重點(diǎn)探討了鋰聚合物電池的特點(diǎn)與應(yīng)用前景，為今后救援無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

在旋翼機(jī)構(gòu)方面，王剛等[12]應(yīng)用渦流理論優(yōu)化螺旋槳，為無(wú)人機(jī)持續(xù)進(jìn)行井下救援提供了重要參考。陳軍等[13]基于葉素修正理論，提出了分析雙葉螺旋槳新方法，有效提高了無(wú)人機(jī)動(dòng)力參數(shù)的精度。張航等[14]通過(guò)旋翼理論進(jìn)行了旋翼槳的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算，對(duì)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電源及旋翼機(jī)構(gòu)等方面取得了較大進(jìn)展，但井下災(zāi)區(qū)環(huán)境的搜索偵測(cè)需要滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間載重續(xù)航的要求，亟需能夠提供長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的新型能源供應(yīng)方式。同時(shí)，在充滿(mǎn)易燃易爆氣體的環(huán)境中，無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)必須具有防爆功能。

1.2 定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要有慣性導(dǎo)航[15]、衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航[16]等。其中，無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航很早就得到了國(guó)外諸多研究機(jī)構(gòu)的重視。Y.M.Mustafah等[17]通過(guò)立體視覺(jué)傳感器定位系統(tǒng)進(jìn)行立體視覺(jué)捕獲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)位置信息。S.Weiss等[18]研發(fā)了帶有視全向單目攝像頭的實(shí)時(shí)密集3D地形重建系統(tǒng)，可用于無(wú)人機(jī)環(huán)境搜索，為標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)避障算法和路徑規(guī)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Zhao Shiyu等[19]開(kāi)發(fā)了一種基于視覺(jué)輔助的無(wú)人機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)仿真與飛行實(shí)驗(yàn)，理論上驗(yàn)證了導(dǎo)航系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和較高的可靠性。

我國(guó)的無(wú)人機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航研究也取得了一系列成果。刁燦等[20]提出了基于機(jī)器視覺(jué)的位置測(cè)量方法，利用雙目攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)具體位置。潘翔等[21]提出了利用單/雙目視覺(jué)估計(jì)無(wú)人機(jī)高度和偏航角，構(gòu)建雙目立體視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)采集視頻數(shù)據(jù)。侯永宏等[22]對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施自主導(dǎo)航，設(shè)計(jì)了一種可以自主感知未知環(huán)境、自主規(guī)劃路徑的旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

在無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航中，具有良好的避障效果是無(wú)人機(jī)完成偵測(cè)任務(wù)的前提。偵測(cè)無(wú)人機(jī)在井下巷道飛行時(shí)，采用自身傳感器采集周?chē)畔?shù)，通過(guò)測(cè)量傳感器與障礙物之間的距離達(dá)到避障目的。胡海兵等[23]開(kāi)發(fā)了一種基于超聲波原理的自主導(dǎo)航與預(yù)先避障系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)能夠及時(shí)地規(guī)避障礙物，可為井下無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。萬(wàn)富華[24]設(shè)計(jì)了超聲波輔助避障系統(tǒng)，以提高無(wú)人機(jī)在室內(nèi)環(huán)境下的可靠性，為救援無(wú)人機(jī)在未知巷道中飛行提供了有用的參考依據(jù)。張博翰等[25]采用雙目立體視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)研究無(wú)人機(jī)在未知環(huán)境中對(duì)障礙物的偵測(cè)，并生成避障點(diǎn)，使無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)避障和安全飛行。

盡管無(wú)人機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其性能也得到了很大提升,但是，考慮到井下情況的復(fù)雜性，單個(gè)無(wú)人機(jī)因其自身?xiàng)l件限制無(wú)法滿(mǎn)足多樣化的需求。因此，多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索將會(huì)成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的一種發(fā)展趨勢(shì)。

1.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)井下災(zāi)區(qū)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而使救援人員對(duì)受災(zāi)區(qū)域的情況有更全面的掌握，以提高救援效率。

井下環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置主要由無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)裝置和地面無(wú)線接收裝置組成。其中，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)裝置主要由傳感器監(jiān)測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。傳感器監(jiān)測(cè)模塊框架如圖2所示。

圖2 傳感器監(jiān)測(cè)模塊框架Fig.2 Framework of sensor monitoring module

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方面已開(kāi)展了大量研究，張倩倩等[26]設(shè)計(jì)了一種嵌入式雙路圖像采集與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可移植性較強(qiáng)的V4L2視頻編程接口實(shí)現(xiàn)雙路圖像采集，直觀顯示紅外圖像。王瑜等[27]研究了數(shù)據(jù)采集器并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)提取軟件，便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸，大幅度提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率。L.Merino等[28]開(kāi)發(fā)了一套基于多傳感器的無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多種圖像處理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)地面目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)攜帶相關(guān)傳感器對(duì)巷道內(nèi)環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括本體運(yùn)動(dòng)情況、井下環(huán)境信息及被困人員相關(guān)信息。傳感器設(shè)備除了要滿(mǎn)足穩(wěn)定性好、偵測(cè)分辨率高、響應(yīng)速度快等要求外，還應(yīng)具有小型化、融合度高和本質(zhì)安全等特點(diǎn)。

1.4 通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)偵測(cè)無(wú)人機(jī)在井下巷道監(jiān)測(cè)過(guò)程中與地面接收端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與信息傳輸[29]。

在數(shù)據(jù)處理方面，黃磊等[30]通過(guò)壓縮感知和矩陣補(bǔ)全技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)損回傳，縮短了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。李世寶等[31]通過(guò)研究無(wú)線信道的復(fù)雜特性，設(shè)計(jì)了一種通信試驗(yàn)平臺(tái)，可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)信息處理的實(shí)際需求。在信息傳輸方面，賴(lài)劍強(qiáng)[32]研發(fā)了超短波通信系統(tǒng)及其裝備，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)有效通信距離高達(dá)30 km。雷立動(dòng)等[33]針對(duì)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于數(shù)傳電臺(tái)的通信系統(tǒng)，并提出了容錯(cuò)處理算法，有效提高了無(wú)人機(jī)的通信距離。解成超等[34]設(shè)計(jì)了一種可直通/中繼雙模式的中繼測(cè)控鏈路,提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸效率。

無(wú)人機(jī)在井下進(jìn)行偵測(cè)任務(wù)時(shí)，其位置隨自身移動(dòng)性和任務(wù)實(shí)時(shí)改變，數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，需要解決信息傳輸質(zhì)量問(wèn)題。單機(jī)飛行的能量有限供給限制了飛行距離、作業(yè)范圍，導(dǎo)致通信可靠性不高。無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)模式可有效提高無(wú)人機(jī)通信的容錯(cuò)性和可靠性，是未來(lái)礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)通信的發(fā)展方向。

2 礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)存在的問(wèn)題

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)技術(shù)也得到了很大的提升，但仍存在如下問(wèn)題：

(1) 續(xù)航時(shí)間短。礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)需要較強(qiáng)的續(xù)航能力，太陽(yáng)能電池在井下災(zāi)區(qū)無(wú)法適用，燃料電池動(dòng)態(tài)性能較軟，雖然鋰電池技術(shù)的發(fā)展趨于穩(wěn)定，并已得到廣泛的應(yīng)用，但在電池能量密度的提升上遇到了瓶頸，限制了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

(2) 定位精度差。在定位導(dǎo)航中，全球衛(wèi)星導(dǎo)航雖然應(yīng)用范圍最廣，研究比較成熟，但在井下災(zāi)區(qū)并不適用；慣性導(dǎo)航的定位誤差會(huì)隨時(shí)間逐步積累，進(jìn)而影響定位精度；礦井發(fā)生事故后井下環(huán)境條件復(fù)雜，視覺(jué)定位容易受到拍照角度與光線條件的影響，定位不準(zhǔn)確。單無(wú)人機(jī)偵測(cè)環(huán)境信息僅限于自主路徑上的參數(shù)，對(duì)礦井災(zāi)區(qū)的搜索必然存在盲區(qū)。同時(shí)，單無(wú)人機(jī)搜索耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、靈活性差，大大影響了指揮中心的應(yīng)急決策，無(wú)法有效保證救援人員和被困礦工的安全。

(3) 信息感知能力弱。常規(guī)無(wú)人機(jī)技術(shù)存在環(huán)境感知能力弱的問(wèn)題，由于單一傳感器自身原理的局限性，周?chē)h(huán)境的溫度、壓力變化對(duì)傳感器的性能影響比較大，難以滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸性能差。井下巷道通常比較狹窄，單個(gè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的無(wú)線通信距離非常有限,搜索效率較低,環(huán)境偵測(cè)存在盲點(diǎn)[35]，這就限制了無(wú)人機(jī)在井下的監(jiān)測(cè)能力。隨著飛行距離的加長(zhǎng)，容易造成數(shù)據(jù)丟失。

3 礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

礦井發(fā)生事故后，礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)的主要任務(wù)是對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。考慮到井下環(huán)境的復(fù)雜性，礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)還需在許多關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行深入的研究與分析，其發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1) 新能源或新型供電技術(shù)的應(yīng)用。如鋁石墨烯電池以其原材料豐富、體積小、高功率密度、超長(zhǎng)循環(huán)壽命和卓越的安全性而備受關(guān)注。對(duì)整個(gè)電源管理系統(tǒng)進(jìn)行更加高效合理的優(yōu)化，實(shí)時(shí)偵測(cè)用電設(shè)備的耗電情況，提高用電的高效性，延長(zhǎng)偵測(cè)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，并滿(mǎn)足防爆性能。

(2) 無(wú)人機(jī)集群方式的應(yīng)用。井下無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、適應(yīng)性高、協(xié)同能力強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索，能夠更加完整、快速地獲取環(huán)境信息，還可以通過(guò)組網(wǎng)模式解決單個(gè)偵測(cè)無(wú)人機(jī)無(wú)線通信距離受限的問(wèn)題，有利于進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸。其中，無(wú)人機(jī)集群的控制結(jié)構(gòu)采用混合式。混合式集群具有較高的自主性和擴(kuò)展性，不僅克服了分布式結(jié)構(gòu)通信可靠性差、搜索效率低的缺點(diǎn)，還解決了集中式結(jié)構(gòu)魯棒性及自主性弱的問(wèn)題。對(duì)于無(wú)人機(jī)集群，單一導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足救援需求，協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)將會(huì)成為主流。通過(guò)數(shù)理優(yōu)化算法進(jìn)行信息推導(dǎo)，并對(duì)多無(wú)人機(jī)協(xié)同信息進(jìn)行融合，提高定位精度，縮短救援時(shí)間。

(3) 多傳感器信息融合。研發(fā)具有多傳感器融合技術(shù)的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的多傳感器信息協(xié)調(diào)及互相融合，使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，大幅度提高無(wú)人機(jī)對(duì)井下環(huán)境的感知能力，減少搜救被困礦工的時(shí)間。多傳感器數(shù)據(jù)融合如圖3所示。

圖3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器數(shù)據(jù)融合Fig.3 Multi-sensor data fusion based on BP neural network

(4) 無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)模式在受災(zāi)區(qū)域偵測(cè)中的應(yīng)用。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活、部署安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用在煤礦井下救援通信中。一般來(lái)說(shuō)，井下巷道呈狹長(zhǎng)帶狀結(jié)構(gòu)，可采用多無(wú)人機(jī)鏈狀無(wú)線Mesh組網(wǎng)模式。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以連接不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳傳輸，每架無(wú)人機(jī)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以靈活加入或退出，節(jié)點(diǎn)布置非常簡(jiǎn)單，能夠很好地適應(yīng)井下環(huán)境，極大地提高通信能力。在多無(wú)人機(jī)井下環(huán)境搜索時(shí)，每架無(wú)人機(jī)采集的信息都是局部區(qū)域信息，通過(guò)鏈狀無(wú)線Mesh組網(wǎng)模式，所有無(wú)人機(jī)進(jìn)行信息融合和資源互補(bǔ)，能實(shí)時(shí)更新環(huán)境信息狀況，提高偵測(cè)的可靠性和救援效率。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)具有高度的自主性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，可快速進(jìn)入井下監(jiān)測(cè)相關(guān)信息，并將信息實(shí)時(shí)傳回控制中心，便于救援人員準(zhǔn)確、有效地做出決策。為了迅速、精確掌握災(zāi)區(qū)信息，今后可從無(wú)人機(jī)集群協(xié)同搜索方面進(jìn)行研究。大力發(fā)展井下無(wú)人機(jī)相關(guān)系統(tǒng)理論與技術(shù)，研發(fā)安全高效的礦井偵測(cè)無(wú)人機(jī)，對(duì)煤礦救援工作具有重要的實(shí)際意義。