（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁市，458030） 徐 超

隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)讓自動(dòng)控制器成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了自主懸停。隨后歷經(jīng)幾代的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)了垂直起降、空中懸停，而且操作靈活，適應(yīng)能力強(qiáng)，在應(yīng)急救援工作種發(fā)揮了重要作用，多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，生產(chǎn)量不斷增加，逐步走近普通民眾視野，并伴隨著多旋翼無(wú)人機(jī)的不斷發(fā)展壯大，其價(jià)格越來(lái)越低，越來(lái)越平民化。基于此，本文在探究多旋翼無(wú)人機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，分析多旋翼無(wú)人機(jī)在各類(lèi)自然災(zāi)害救援中的應(yīng)用，為促進(jìn)我國(guó)多旋翼無(wú)人機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供視覺(jué)。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)的工作原理

1.1 多旋翼無(wú)人機(jī)懸停原理

多旋翼無(wú)人機(jī)是由三個(gè)以上的螺旋槳構(gòu)成的無(wú)人機(jī)，其中以四旋翼無(wú)人機(jī)最為常見(jiàn)。多旋翼無(wú)人機(jī)主要依賴(lài)螺旋槳旋轉(zhuǎn)起飛，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)升力達(dá)到飛機(jī)總重時(shí)，升力抵消重力，實(shí)現(xiàn)了飛行的懸停。但螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反扭矩，導(dǎo)致電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)，為了消除反扭矩，需要在其水平方向上施加力，以此保持機(jī)身的平穩(wěn)。同樣四旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生反扭矩，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的自旋，于是人們將四個(gè)螺旋槳分別向相反方向旋轉(zhuǎn)。如下圖1所示，M1、M3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，M2、M4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，兩對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，保持飛行穩(wěn)定，除此之外，多旋翼無(wú)人機(jī)的垂直升降、左右飛行同樣是由螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制的。

圖1 四旋翼無(wú)人機(jī)旋翼飛行示意圖

1.2 多旋翼無(wú)人機(jī)升降原理

無(wú)人機(jī)懸停穩(wěn)定后，需要升至一定的高度執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，此時(shí)螺旋槳旋轉(zhuǎn)加速，升力不斷增加，飛機(jī)上升，當(dāng)需要下降高度執(zhí)行任務(wù)時(shí)，此時(shí)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度減慢，飛機(jī)升力減小，自然就會(huì)下降。整個(gè)過(guò)程，都需要多個(gè)旋翼保持相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，也就是所需要各電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)速，以此抵消反扭矩，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 多旋翼無(wú)人機(jī)水平移動(dòng)原理

無(wú)人機(jī)原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，人們可以借助反扭距，M2、M4 兩對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度加快，M1、M3 兩對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度降低，此時(shí)飛機(jī)會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。與我們平時(shí)乘坐的飛機(jī)不同的地方在于，多旋翼無(wú)人機(jī)沒(méi)有垂直于地面的螺旋槳，為此，不能產(chǎn)生水平方向上的力。為了實(shí)現(xiàn)水平方向的位移，M3、M4兩對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速提升，M1、M2 兩對(duì)轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)前部升力超過(guò)后部，飛機(jī)將會(huì)向前傾斜，傾斜側(cè)面圖如下圖2所示，此時(shí)旋翼產(chǎn)生的力一方面需要抵消飛機(jī)自身重量，另外還會(huì)產(chǎn)生水平方向上的力，使得無(wú)人機(jī)向前飛行。相反的，M3、M4 兩對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速降低，M1、M2兩對(duì)轉(zhuǎn)速增加，飛機(jī)向后傾斜，使得無(wú)人機(jī)向后飛行。同樣的原理，M1、M4 加速，M2、M3 減速，無(wú)人機(jī)將向左飛行，M2、M3 加速，M1、M4 減速，無(wú)人機(jī)將向右飛行。

圖2 多旋翼無(wú)人機(jī)向前傾斜示意圖

2 多旋翼無(wú)人機(jī)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

2.1 偵察監(jiān)測(cè)千里眼

多旋翼無(wú)人機(jī)整合多種測(cè)量設(shè)備，包括探測(cè)儀、傳感儀、遙感儀等，實(shí)現(xiàn)了通信、傳輸、感應(yīng)等多種功能，做到了無(wú)人機(jī)、平臺(tái)之間的無(wú)縫連接。首先，多旋翼無(wú)人機(jī)的適應(yīng)能力前，實(shí)現(xiàn)了不同空域的遠(yuǎn)觀、近察，避免了傳統(tǒng)觀測(cè)中的死角、盲區(qū)，地震現(xiàn)場(chǎng)，多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多角度、多高度、多經(jīng)緯度的勘測(cè)，實(shí)時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸，為救援人員提供最新的災(zāi)害坐標(biāo)；其次，在高危環(huán)境下，多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，無(wú)視控制危險(xiǎn)因素，克服生理極限，能夠第一時(shí)間準(zhǔn)確的到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域，如危險(xiǎn)化學(xué)品區(qū)需要救援時(shí)，應(yīng)用各類(lèi)無(wú)人機(jī)探測(cè)儀，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)化學(xué)品種類(lèi)、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行遠(yuǎn)程勘測(cè)，更為重要的是，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)化。早在2015年天津港爆炸事件中，現(xiàn)場(chǎng)爆炸危險(xiǎn)品釋放大量的有毒氣體，給救援工作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的信息采集工作難以開(kāi)展，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，全方位的獲取現(xiàn)場(chǎng)救援信息，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)救援情況，為科學(xué)的指揮提供可靠的保障；獲取實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，人工智能的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別、人工預(yù)算的能力，而且遙測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確的感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，解決了現(xiàn)場(chǎng)救援何時(shí)進(jìn)、何時(shí)救的難題。在實(shí)際的消防火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，不確定因素眾多，借助遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全方位的無(wú)死角的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確掌握消防火災(zāi)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，為警戒巡查、險(xiǎn)情監(jiān)控提供指導(dǎo)。

2.2 信息傳輸中繼站

首先，雖然衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，但存在傳輸延遲，而陸地通信需要部署，時(shí)間常且投入大，顯然這兩種通信方式都難以達(dá)到突發(fā)災(zāi)難地區(qū)快速通信的目的，通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)組織部署通信中繼，能夠?qū)崿F(xiàn)快速通信的目的，而且控制靈活。一旦發(fā)生自然災(zāi)害等突發(fā)事件，地面設(shè)施設(shè)備難以介入，多旋翼無(wú)人機(jī)搭載通信站能夠第一事件到達(dá)災(zāi)區(qū)，并升空組網(wǎng)，形成區(qū)域無(wú)線網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)受災(zāi)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)，在地面設(shè)備介入前，保持持續(xù)的通信信號(hào)，成為了指揮部與救援現(xiàn)場(chǎng)的樞紐；其次，自然災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，一旦發(fā)生地區(qū)位置偏遠(yuǎn)、地形地勢(shì)環(huán)境復(fù)雜，信息鏈部暢通，很容易出現(xiàn)機(jī)動(dòng)通信障礙，更為關(guān)鍵的是，常伴有多種次生災(zāi)害的發(fā)生，此時(shí)時(shí)間就是生命，任何的遲疑極有可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的災(zāi)情，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成不可挽回的損失，此時(shí)救援人員可借助多旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展組織機(jī)動(dòng)，結(jié)合電子地圖，預(yù)設(shè)無(wú)人機(jī)飛行軌跡，借助其搭載的通信設(shè)備，形成機(jī)動(dòng)通信中繼站，實(shí)現(xiàn)了信息的無(wú)縫傳輸，確保救援工作者能夠第一時(shí)間安全的到達(dá)救援災(zāi)區(qū)；最后，多旋翼無(wú)人機(jī)不僅覆蓋范圍廣，而且系統(tǒng)容量大，在實(shí)施救災(zāi)時(shí)，能夠有效的彌補(bǔ)衛(wèi)星通信死角，滿足不同地形、不同環(huán)境下緊急救援，尤其是在高海拔地區(qū)，救援通道很難第一時(shí)間開(kāi)通，傳統(tǒng)的通信手段很難滿足應(yīng)急救援之所需，有研究通過(guò)構(gòu)建4G無(wú)人機(jī)高空基站，實(shí)現(xiàn)了救援站的信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)了24h 不間斷的信號(hào)傳輸，為后續(xù)救援提供了應(yīng)急保障。

2.3 實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援的精準(zhǔn)投放

與其他類(lèi)型無(wú)人機(jī)相比較，多旋翼無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)投放適應(yīng)范圍更廣，投放的準(zhǔn)度、速度都要高。早在2018年6月，某戰(zhàn)區(qū)空軍研習(xí)過(guò)程中，士兵就是通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)投放，不僅速度快，而且準(zhǔn)度高，得到了空軍指揮部的一致認(rèn)同；其次，由多旋翼無(wú)人機(jī)所搭建的智能控制系統(tǒng)，能夠事前規(guī)劃好投放速度、位置、線路等，借助其內(nèi)置的高精度傳感設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)，進(jìn)而達(dá)到無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航飛行、精準(zhǔn)降落，一旦發(fā)生嚴(yán)重的自然災(zāi)害，地面設(shè)施設(shè)備完全被擊潰，地面通信、運(yùn)輸癱瘓，救援補(bǔ)給困難，此時(shí)多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了受災(zāi)中心地區(qū)緊急物資的供應(yīng)。早在2016年，我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)就開(kāi)始應(yīng)用無(wú)人機(jī)物流投遞，使得偏遠(yuǎn)地區(qū)物流投放不再偏遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村地區(qū)村村投遞，讓邊遠(yuǎn)地區(qū)的快遞投放科幻感十足，無(wú)人機(jī)投放前會(huì)有相應(yīng)的信息提醒，接到信息后，人們到達(dá)制定的地區(qū)，等待無(wú)人機(jī)的到達(dá)，無(wú)人機(jī)飛過(guò)來(lái)后，打開(kāi)機(jī)身，就能看到全村的小郵件，整個(gè)流程簡(jiǎn)單而快捷，與此同時(shí)，裝載不同類(lèi)型血型的無(wú)人機(jī)穿梭于不同城市的上方，為急需血的醫(yī)院傳送相應(yīng)的血液，整個(gè)流程一般于15min內(nèi)完成，極大的提升了物流服務(wù)效率，也進(jìn)一步提升了醫(yī)療救助的效率；最后，隨著多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)載技術(shù)的深入發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)的荷載救助能力得到了極大的提升，夜間掛載探測(cè)燈，照亮救助者前進(jìn)的道路，掛載喊話系統(tǒng)，為受災(zāi)群眾提供安全信息，為救助人員提供可靠情報(bào)，掛載生命探測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)生還者信息，為緊急營(yíng)救提供保障，掛載投資系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)投放相應(yīng)的醫(yī)療設(shè)施、設(shè)備及救援物資，為救助者提供物質(zhì)保障。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 高速事故救援

高速公里交通事故中的應(yīng)用，高速公里屬于相對(duì)封閉區(qū)域，一旦發(fā)生事故，交通堵塞，交警、救護(hù)人員很難第一實(shí)踐達(dá)到救援現(xiàn)場(chǎng)，多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了交警空中指揮，為現(xiàn)場(chǎng)受傷人員及時(shí)準(zhǔn)確的輸送急救物資，為救護(hù)設(shè)備、救護(hù)人員開(kāi)路。

3.2 地震救援

發(fā)生地震，道路封閉，災(zāi)區(qū)斷水、斷電，缺乏生存物資，多旋翼物流無(wú)人機(jī)的出動(dòng)，可跨越危險(xiǎn)路面，第一時(shí)間將救援物資送到災(zāi)區(qū)。早在2014年8月，云南魯?shù)榭h發(fā)生6.5級(jí)地震，云南測(cè)繪局借助四旋翼無(wú)人機(jī)，第一時(shí)間獲取局部地區(qū)信息數(shù)據(jù)，對(duì)災(zāi)區(qū)道路受損情況、居民受災(zāi)情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為當(dāng)?shù)鼐仍ぷ鞯倪M(jìn)一步開(kāi)展提供依據(jù)。與此同時(shí)，有研究者應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)，對(duì)魯?shù)榭h受災(zāi)建筑特點(diǎn)進(jìn)行分析，研判其受災(zāi)情況，對(duì)震情的判斷、經(jīng)濟(jì)損失的預(yù)估起到了非常達(dá)的幫助。

3.3 災(zāi)區(qū)地理信息勘測(cè)

在發(fā)生山地滑坡、山體塌陷等自然災(zāi)害救援中，為準(zhǔn)確研判災(zāi)情，防止災(zāi)情的進(jìn)一步惡化，多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確的對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行攝影，并通過(guò)平臺(tái)出現(xiàn)，迅速形成災(zāi)區(qū)三維數(shù)據(jù)，預(yù)估災(zāi)區(qū)滑坡、坍塌情況，為后續(xù)的救援提供依據(jù)。早在2015年四川映秀到汶川路段發(fā)生山體滑坡，有研究采用六軸旋翼無(wú)人機(jī)，第一時(shí)間開(kāi)展航測(cè)，獲取分辨率高達(dá)0.2m的影響資料，而且構(gòu)建了受災(zāi)地區(qū)三維場(chǎng)景圖。在官地電站大橋泥石流發(fā)生區(qū)域，由研究者應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)，不僅獲取了分辨率極高的遙測(cè)影像，與通過(guò)遙感技術(shù)建立地質(zhì)三維模型進(jìn)行對(duì)比，吻合度極高。

4 結(jié)語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)，操作靈活，可根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境，搭載多種系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確的獲取災(zāi)區(qū)信息數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步的營(yíng)救提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，除此之外，在面臨重大危險(xiǎn)單體災(zāi)害時(shí)，應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載傾斜云臺(tái)，能準(zhǔn)確的獲取受災(zāi)區(qū)的三維影像，能夠提供單體災(zāi)害救援的精準(zhǔn)度，在一定程度上，減少了救災(zāi)地區(qū)收據(jù)獲取難度及投入，為科學(xué)救援提供技術(shù)支持。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，為進(jìn)一步滿足重大災(zāi)害應(yīng)急救援的需求，未來(lái)多旋翼無(wú)人機(jī)將朝著智能化、小型化方面不斷發(fā)展，同時(shí)，也會(huì)搭載更多的精密傳感器，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的智能化、自動(dòng)化、高效處理和應(yīng)用。