張佳佳 尚 帥 肖 艷

（1.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232000）

0 引言

在實(shí)際救援中，將單一傳感技術(shù)運(yùn)用到無(wú)人機(jī)上，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況難以確定，這時(shí)就可以綜合使用不同的傳感技術(shù)即多種傳感器技術(shù)，以滿足對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)、分析和數(shù)據(jù)采集的需求。并且隨著其在無(wú)人機(jī)運(yùn)用領(lǐng)域的發(fā)展，多傳感器融合技術(shù)對(duì)一些模糊的信息也可以較為快速地處理，解決了消防救援中信息不清晰這一大難題。

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)介紹

小型無(wú)人機(jī)是一種在低空使用的飛行器，內(nèi)部搭載有控制系統(tǒng)算法，同時(shí)還具備定位器、傳感器和檢測(cè)器等設(shè)備，借此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也可以借助遙控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行手動(dòng)操作或借助計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，為無(wú)人機(jī)適應(yīng)多種環(huán)境提供了便利。無(wú)人機(jī)可以搭載拍攝裝置，來(lái)航拍需要的畫(huà)面，并借助通信設(shè)備將拍攝的畫(huà)面?zhèn)鞯接?jì)算機(jī)上，達(dá)到信息交互的目的，為監(jiān)控、救援活動(dòng)的展開(kāi)提供了便利。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)也有了顯著的進(jìn)步，為了使人民的生活更便捷，安全更有保障，無(wú)人機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷拓展。目前無(wú)人機(jī)在消防救援工作中有著廣泛應(yīng)用，能收集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)信息，協(xié)助消防指揮救援[1]。

2 在火災(zāi)救援中無(wú)人機(jī)所具有的優(yōu)勢(shì)

2.1 操作簡(jiǎn)單

從技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)的控制是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及相關(guān)的軟件接口，與地面信息中轉(zhuǎn)站相連接，這毫無(wú)疑問(wèn)大大降低了操作無(wú)人機(jī)的技術(shù)門檻，使得小型無(wú)人機(jī)在操作方面比較簡(jiǎn)單。對(duì)于操作人員的要求得到了降低，在簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后便可熟練的使用無(wú)人機(jī)。通過(guò)遙控裝置和計(jì)算機(jī)輔助跟蹤就可以做到調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制無(wú)人機(jī)的目的。無(wú)人機(jī)有著不同型號(hào)，也可以搭載不同的裝置設(shè)備滿足不同工作環(huán)境的需要。一般無(wú)人機(jī)可以利用攝錄機(jī)航拍需要的畫(huà)面，并借助通信設(shè)備將拍攝的畫(huà)面?zhèn)骰氐接?jì)算機(jī)上，從更廣泛的角度、更遠(yuǎn)地距離對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的信息進(jìn)行全面的收集，提供了更準(zhǔn)確的信息，對(duì)消防救援提供了有利條件。

目前，無(wú)人機(jī)可以使用輔助設(shè)備，例如，在需要保證細(xì)節(jié)的地方可以使用高清攝像頭、在黑夜里確定受害者所在地點(diǎn)可以使用熱成像儀、紅外夜視儀等，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)更換設(shè)備，保證救援的正常進(jìn)行，使用者可以通過(guò)遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制，也可以通過(guò)手提電腦、手機(jī)等電子設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，這樣只需要調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的設(shè)備、位置、角度就能對(duì)受災(zāi)環(huán)境有全方位的了解。

2.2 信息收集能力強(qiáng)

在進(jìn)行滅火救援時(shí)，信息的有效交互是十分重要的，但是由于火災(zāi)的不確定性強(qiáng)、擴(kuò)散速度快，現(xiàn)場(chǎng)的情況無(wú)法實(shí)時(shí)掌握，使消防救援受到掣肘，所以需要無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信傳輸。在到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，第一時(shí)間利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線傳輸，將航拍收集到的畫(huà)面信息傳送到消防指揮中心，讓消防指揮中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)情況，充分判斷形勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)消防員也可以迅速協(xié)同接收來(lái)自指揮部門的救援指令，及時(shí)展開(kāi)救援行動(dòng)，不僅保障了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，更使得災(zāi)情可以得到最有效的控制。另外，無(wú)人機(jī)搭載不同的設(shè)備可以達(dá)到搜索、照明、探測(cè)、搜尋等功能，在火災(zāi)救援中起到舉足輕重的作用，對(duì)消防員開(kāi)展救援工作有著積極影響。

2.3 安全性高

無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境有著很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以在不同的天氣環(huán)境下工作，甚至在雷雨等極端天氣下工作[2]。所以無(wú)人機(jī)在消防救援工作中的使用提高了生存率，增加了救援的成功率。無(wú)人機(jī)核心的優(yōu)勢(shì)是它可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，可以為消防人員收集現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部的相關(guān)信息。而且在進(jìn)行滅火救援時(shí)，如果是高危險(xiǎn)場(chǎng)所，消防員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)需要評(píng)估危險(xiǎn)性，而無(wú)人機(jī)能夠替代消防員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)偵查，消防工作的危險(xiǎn)性得到了降低。

由于無(wú)人機(jī)有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力和較低的起飛條件，所以無(wú)人機(jī)能夠在絕大多數(shù)的空間中實(shí)現(xiàn)各個(gè)角度的航拍工作[3]。且無(wú)人機(jī)在低空作業(yè)時(shí)拍攝畫(huà)面更清晰，通過(guò)配備不同的設(shè)備能在不同條件下開(kāi)展活動(dòng)，提高了救援的容錯(cuò)率。

消防人員可以根據(jù)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的需要控制無(wú)人機(jī)停留在空中的位置以及配備的設(shè)備，對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行特寫(xiě)或全局拍攝，幫助消防指戰(zhàn)員剔除多余信息，有效掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。無(wú)人機(jī)的飛行基本不受天氣影響，在發(fā)生泥石流、暴雨的災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)人機(jī)能夠快速到達(dá)災(zāi)情中心，幫助消防救援隊(duì)伍有效獲取重要信息，為消防救援提供大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這是制定行之有效的救援策略的依據(jù)。無(wú)人機(jī)的使用對(duì)于提高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)效率，降低災(zāi)難造成的損失有著積極意義。

3 無(wú)人機(jī)的技術(shù)融合設(shè)計(jì)方案

無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由遙感平臺(tái)、傳感器分析、GPS定位導(dǎo)航、救援系統(tǒng)3個(gè)部分組成。其中無(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái)，搭載多種設(shè)備，適應(yīng)多種場(chǎng)景，能根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的設(shè)備，滿足了搶險(xiǎn)救災(zāi)的需求。而信息采集傳輸則作為該系統(tǒng)最重要的部分，即對(duì)視覺(jué)傳感和GPS定位導(dǎo)航通過(guò)聯(lián)調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。下面本文將介紹各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組成及其實(shí)現(xiàn)。

圖1 無(wú)人機(jī)救援系統(tǒng)

3.1 遙感平臺(tái)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視覺(jué)傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、地面調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，其中最主要的是無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)附加的程序，消防員在進(jìn)行救援活動(dòng)時(shí)可以更方便地使用和調(diào)整無(wú)人機(jī)，以完成更加困難的作業(yè)。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的主體部分是無(wú)人機(jī)，利用無(wú)人機(jī)的靈活性來(lái)進(jìn)行消防檢測(cè)和救援，無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)。無(wú)人機(jī)主要是由平衡舵機(jī)、通信單元、GPS定位系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、反饋云臺(tái)的聯(lián)合協(xié)作來(lái)達(dá)到自由控制飛行的目的。無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分組成，分別是地面監(jiān)控單元與機(jī)載控制單元，前者利用地面控制的平臺(tái)站點(diǎn)來(lái)進(jìn)行主要的監(jiān)控活動(dòng)，并對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行管理；對(duì)于后者而言則是通過(guò)不同的模塊設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)的內(nèi)部[4]。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的另一個(gè)重要設(shè)備是穩(wěn)定云臺(tái)，其作用是監(jiān)控飛行器的翻轉(zhuǎn)角、航向等三維軸向問(wèn)題，并對(duì)三軸自反饋控制平臺(tái)進(jìn)行分析調(diào)整來(lái)傳遞相應(yīng)的任務(wù)，使得無(wú)人機(jī)可以更好的平衡。對(duì)于地面控制系統(tǒng)想要進(jìn)行實(shí)時(shí)管理則必須采用非常規(guī)方法，可以利用無(wú)線通信系統(tǒng)，并借助通信設(shè)備傳遞的信息對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡展開(kāi)研究，讓無(wú)人機(jī)的監(jiān)視效果達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)由于通信設(shè)備的存在無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度也有序進(jìn)行，使無(wú)人機(jī)的工作效率得到保證。

3.2 視覺(jué)傳感

使用多傳感器來(lái)進(jìn)行視覺(jué)傳感，目的是細(xì)致地掌握受災(zāi)情況，采取最有效的救災(zāi)方案。在復(fù)雜、多變的環(huán)境下，如果只使用單一的傳感器，在外界環(huán)境變化較大的情況下，識(shí)別的目標(biāo)往往伴有模糊性和不確定性，將無(wú)法識(shí)別目標(biāo)特征，且難以獲得有效的信息，不利于救援工作的開(kāi)展；而多傳感器融合技術(shù)的使用，相較于單傳感器，大幅度改善了信息模糊的情況，削減了不確定性帶來(lái)的影響。當(dāng)采用多個(gè)傳感器交互構(gòu)建的全目標(biāo)多態(tài)識(shí)別時(shí)，由于多個(gè)傳感器性能的互補(bǔ)，系統(tǒng)更穩(wěn)定，抗干擾能力得到提高，目標(biāo)識(shí)別能力也得到了提高，同時(shí)傳感器識(shí)別目標(biāo)的覆蓋范圍也得到了大范圍擴(kuò)展。目前在多目標(biāo)或復(fù)雜環(huán)境下多傳感器技術(shù)的地位日益提高，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)成為精確識(shí)別的基礎(chǔ)，因?yàn)槎鄠鞲衅骷夹g(shù)的存在，未來(lái)?yè)岆U(xiǎn)救災(zāi)會(huì)變得更安全。

3.3 GPS定位、慣性導(dǎo)航

GPS定位利用互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)來(lái)確定受災(zāi)狀況，并確定具體的救援實(shí)施方案。而火災(zāi)洪水等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，常常會(huì)伴有低信噪比的情況發(fā)生，GPS信號(hào)的傳輸會(huì)受到大幅度削弱，信號(hào)追蹤的效率減少乃至消失，所以將使用高靈敏度GPS進(jìn)行捕捉，以提高接收器的處理增益，達(dá)到更好的救災(zāi)效果。

而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)使用經(jīng)典牛頓力學(xué)原理對(duì)實(shí)際信息進(jìn)行積分解算，對(duì)無(wú)人機(jī)在導(dǎo)航坐標(biāo)系之中的基礎(chǔ)受力情況進(jìn)行分析，再對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的三維旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析[5]，兩者相結(jié)合達(dá)到慣性導(dǎo)航的目的。平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于平臺(tái)的坐標(biāo)系進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量信息輸出于坐標(biāo)系之中，再將導(dǎo)出的信息進(jìn)行反解，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乐笓]中心，使工作人員做好充足的準(zhǔn)備，以盡早確定需要采取的救火措施，使損失最小化。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)中無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也越發(fā)成熟，今后無(wú)人機(jī)的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)在消防救援中起到至關(guān)重要的作用。消防隊(duì)在進(jìn)行消防救援任務(wù)時(shí)面對(duì)不同的環(huán)境，可能發(fā)生的意外情況和不確定因素較多，而無(wú)人機(jī)的使用，則改變了這一問(wèn)題。無(wú)人機(jī)作為人力勘測(cè)的有效替代品，能夠避免讓人直面災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，毫無(wú)疑問(wèn)確實(shí)保障了人員人身安全。同時(shí)無(wú)人機(jī)的使用快、準(zhǔn)、好地完成了災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的勘探。本文就目前無(wú)人機(jī)應(yīng)用于消防滅火救援隊(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景展開(kāi)敘述，希望可以通過(guò)對(duì)上述幾種裝置的有效結(jié)合，有效彌補(bǔ)以往消防救援工作中存在的不足和缺陷，采取多傳感信息融合交互技術(shù)獲取安全的救援路線，使得消防救援工作的風(fēng)險(xiǎn)減小。