王文山

（濟(jì)南市天橋區(qū)濟(jì)濼路消防救援站，山東 濟(jì)南 250031）

0 引言

無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle）是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自動(dòng)控制技術(shù)操縱的無(wú)人駕駛飛機(jī)，根據(jù)飛行方式的不同可以分為旋翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)等，憑借其操作簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于空中偵察、監(jiān)視、通信等高空作業(yè)中。我國(guó)在多旋翼無(wú)人機(jī)的研究方面起步較晚，早期無(wú)人機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用集中在軍工領(lǐng)域。隨著我國(guó)微電子系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，讓無(wú)人機(jī)控制技術(shù)更加成熟，擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)如今，民用領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)應(yīng)用日益廣泛，涉及航拍、偵察、勘測(cè)、救援、消防等多個(gè)領(lǐng)域。由于無(wú)人機(jī)可以利用高空視角，快速準(zhǔn)確地定位目標(biāo)，并且可以與地面控制中心保持有效的數(shù)據(jù)傳輸，使得無(wú)人機(jī)在滅火救援和應(yīng)急搶險(xiǎn)方面相比于傳統(tǒng)人工操作有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，密集的人口、超高層建筑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的購(gòu)物中心，加劇了火災(zāi)救援的難度，而無(wú)人機(jī)技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用有效地改善了傳統(tǒng)人工救援的局限性。在滅火救援行動(dòng)中常用多旋翼無(wú)人機(jī)，降低設(shè)計(jì)研發(fā)的難度，提升操控的安全性，通過(guò)與地面控制中心保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，幫助制定滅火救援行動(dòng)計(jì)劃，最大限度地降低火災(zāi)造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)特性評(píng)價(jià)

多旋翼無(wú)人機(jī)主要是指有三個(gè)或者三個(gè)以上的旋翼驅(qū)動(dòng)飛行的無(wú)人駕駛飛行器，由機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成[1]。其中機(jī)械系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)部件，主要指支撐無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)的骨架，起到承載動(dòng)力部件和負(fù)載等功能，包括起落架、機(jī)身等。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要使用輕量化的材料，降低自身重量、確保強(qiáng)度的同時(shí)，提升負(fù)載能力，常用碳纖維和鋁合金材料制作。動(dòng)力系統(tǒng)由螺旋槳、無(wú)刷直流電機(jī)、電子調(diào)制器和電池組成。螺旋槳是無(wú)人機(jī)飛行的主要?jiǎng)恿?lái)源，依靠電機(jī)和電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)旋翼軸都有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生推力，因此多旋翼無(wú)人機(jī)相較于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)擁有更加靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。多旋翼無(wú)人機(jī)的螺旋槳通常是由塑料或者碳纖維制作，螺旋槳的翼尖進(jìn)行縮小平滑處理，減少阻力，多旋翼無(wú)人機(jī)控制子系統(tǒng)主要包括：飛控系統(tǒng)、內(nèi)置傳感器、遙控器。飛控系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的核心部件，用以生產(chǎn)信號(hào)控制多旋翼飛機(jī)的飛行。飛控板上集成了氣壓計(jì)、羅盤(pán)傳感器、GPS等，飛控板接收遙控信號(hào)和傳感器信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析生成信號(hào)波輸出到電臺(tái)控制中心驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

多旋翼無(wú)人機(jī)具有以下特點(diǎn)。

1.1 垂直升降

多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)垂直升降，當(dāng)無(wú)人機(jī)需要升高飛行高度時(shí)，多個(gè)螺旋槳同時(shí)加速旋轉(zhuǎn)，增加上升推力，幫助無(wú)人機(jī)快速上升。當(dāng)無(wú)人機(jī)需要降低飛行高度時(shí)，只需要控制在螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度，降低上升推力，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的下降。在控制多旋翼無(wú)人機(jī)的過(guò)程中，需要多個(gè)旋翼保持相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，從而確保無(wú)人機(jī)擁有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)[2-3]。

1.2 原地旋轉(zhuǎn)

多旋翼無(wú)人機(jī)擁有原地旋轉(zhuǎn)的功能，由于旋翼無(wú)人機(jī)主要依靠旋翼提供上升推力。因此，無(wú)人機(jī)旋翼的布局對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡有直接的影響。以四旋翼無(wú)人機(jī)為例，在無(wú)人機(jī)水平方向均勻地分布四個(gè)旋翼，需要進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，保持兩個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，另外兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由于反扭矩影響，無(wú)人機(jī)就會(huì)產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)。

1.3 水平移動(dòng)

由于多旋翼無(wú)人機(jī)的螺旋槳平行于地面，無(wú)法直接產(chǎn)生水平方向上的力來(lái)進(jìn)行水平方向上移動(dòng)。多旋翼無(wú)人機(jī)是靠螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化，來(lái)控制自身的飛行姿態(tài)，旋翼數(shù)量對(duì)于飛行效果有著直接影響。以四旋翼無(wú)人機(jī)為例，兩個(gè)電機(jī)螺旋槳會(huì)提高轉(zhuǎn)速，同時(shí)另外兩個(gè)電機(jī)螺旋槳降低轉(zhuǎn)速，兩邊的上升推力出現(xiàn)偏差，無(wú)人機(jī)就會(huì)以前傾的方式飛行。

民用領(lǐng)域無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單實(shí)用，多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小，不用專用的起飛和停放場(chǎng)地，同時(shí)便于維修保養(yǎng)，并且對(duì)于培訓(xùn)操作員的訓(xùn)練周期較短?？梢赃m用于各種氣候環(huán)境，有效地降低了人為操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，半自主飛行和按照預(yù)編航線全自動(dòng)飛行等功能。多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空中懸停，并且對(duì)起飛場(chǎng)地沒(méi)有特殊要求，具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，搭載無(wú)線通信系統(tǒng)還可以與地面控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配置高清晰度的數(shù)碼攝像機(jī)，還能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面，地面控制中心也可以根據(jù)視頻影像制定行動(dòng)計(jì)劃[4-7]。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括飛行控制模塊、傳感器模塊、電源模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊、遙控模塊等。其中飛行控制模塊負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)的飛行控制功能，是無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制模塊包括測(cè)量模塊、傳感器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、無(wú)線通信模塊、電源等。其中測(cè)量部件主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括垂直陀螺儀、航向陀螺儀、速率陀螺儀以及加速器、GPS接收機(jī)等，通過(guò)測(cè)量部件確定無(wú)人機(jī)飛行的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)。信號(hào)處理部件主要負(fù)責(zé)測(cè)量無(wú)人機(jī)飛行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，形成符合控制要求的飛行指令，可以根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，配合地面控制改變無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是利用接收到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)旋翼進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。電源負(fù)責(zé)給飛行控制器供電。多旋翼無(wú)人機(jī)在設(shè)計(jì)中，需要滿足擁有加大的升力，確保無(wú)人機(jī)能夠搭載多種救援設(shè)備和物資，豐富滅火救援的功能。目前，除了無(wú)人機(jī)自身重量以外，提升上升力是增加無(wú)人機(jī)負(fù)載能力的有效方式，例如增加旋翼數(shù)量，給無(wú)人機(jī)提供上升推力。在民用領(lǐng)域最常見(jiàn)的是四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)稱的布局，四旋翼可以提供穩(wěn)定的上升力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控靈活、故障率較低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)[8]。下面就對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析。

2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)量模塊由微控制計(jì)算機(jī)組成，通過(guò)測(cè)量?jī)x獲取無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算出無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、高度以及空間信息。測(cè)量模塊可以接收地面控制指令，完成對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的調(diào)整，并且可以向地面控制發(fā)送相應(yīng)的飛行狀態(tài)信息。

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

多旋翼無(wú)人機(jī)傳感器主要負(fù)責(zé)收集無(wú)人機(jī)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的反饋信號(hào)，用來(lái)判斷無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性和可靠性。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)是通過(guò)測(cè)量模塊獲取的。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)空中懸停和橫向飛行等功能，這些都依賴于執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的快速響應(yīng)。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，電機(jī)為調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)提供主要?jiǎng)恿?，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足占用體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)。

2.4 無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中需要接收各種遙控信號(hào)完成飛行姿態(tài)的調(diào)整，為了確保遙控信號(hào)的抗干擾性能，采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸器，同時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸具有一定的抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)和地面控制中心之間高效的數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

電源是多旋翼無(wú)人機(jī)的主要?jiǎng)恿?lái)源，為了提供充足電力供應(yīng)，需要根據(jù)無(wú)人機(jī)最大輸入電流參數(shù)選擇合適的電源穩(wěn)壓器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。多旋翼無(wú)人機(jī)在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，其自身的體積、重量將對(duì)滅火救援行動(dòng)有著直接影響。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)在滅火救援行動(dòng)中的應(yīng)用

在滅火救援過(guò)程中，無(wú)人機(jī)需要攜帶滅火救援設(shè)備，這就要求無(wú)人機(jī)在確保正常飛行的情況下?lián)碛凶銐虻妮d重量。因此，在確保正常飛行的情況下，降低自身重量、提高載重是無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)所要考慮的首要問(wèn)題。近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，加速了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用空間，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，尤其是在滅火救援行動(dòng)中的應(yīng)用最為廣泛[9]。下面就對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)在滅火救援行動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 易燃易爆、化學(xué)災(zāi)害事故偵察

多旋翼無(wú)人機(jī)在處理易燃易爆、化學(xué)災(zāi)害事故的過(guò)程中，通過(guò)探測(cè)器可以檢測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度和有毒物質(zhì)的擴(kuò)散范圍，確定滅火救援的線路和計(jì)劃，避免消防人員盲目進(jìn)入造成不必要的損傷。無(wú)人機(jī)可以適用于各種復(fù)雜環(huán)境，而且易燃易爆等有毒物質(zhì)不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)造成傷害，相比傳統(tǒng)人工偵察活動(dòng)有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可以更加細(xì)致、全面地展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)偵察活動(dòng)，便于現(xiàn)場(chǎng)指揮人員制定救援計(jì)劃，有效提升偵察效率和救援的成功率。

3.2 滅火救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控

多旋翼無(wú)人機(jī)配備有高清攝像頭，可以對(duì)滅火救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其適用于地形和環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)景。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，多旋翼無(wú)人機(jī)憑借其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)可以快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)偵察，通過(guò)高空視角快速查找災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，做到機(jī)動(dòng)靈活開(kāi)展偵查，特別是一些急難險(xiǎn)重的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，偵查小組無(wú)法開(kāi)展偵查的情況下，無(wú)人機(jī)能夠迅速展開(kāi)偵查。借助現(xiàn)代化的技術(shù)讓滅火救援行動(dòng)更加立體和高效，在地面救援應(yīng)急車、空中無(wú)人機(jī)、地面指揮中心三位一體的滅火救援模式下，無(wú)人機(jī)可以將現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸至地面控制中心，消防人員可以掌握更加細(xì)致的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況，精準(zhǔn)排查起火點(diǎn)，分析火災(zāi)發(fā)展形勢(shì)，制定應(yīng)急預(yù)案，建立快速響應(yīng)機(jī)制，提升滅火救援行動(dòng)效率。多旋翼無(wú)人機(jī)配合地面指揮中心在滅火救援行動(dòng)中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)救援監(jiān)控架構(gòu)圖

3.3 運(yùn)送救援裝備

多旋翼無(wú)人機(jī)具備一定的裝載能力，其載重量也將直接決定搭載救援設(shè)備的數(shù)量，可以攜帶救援繩、救生衣、防毒面具等救援裝備，借助現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能直接送到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)被救人員手中，減少救援時(shí)間。利用無(wú)人機(jī)集成或者靈活攜帶關(guān)鍵器材裝備，能夠?yàn)槎喾N情況下的救援提供幫助，例如為救援開(kāi)辟救援途徑，傳統(tǒng)人工滅火救援行動(dòng)中，往往會(huì)被特殊的地理環(huán)境所影響，尤其是一些地勢(shì)險(xiǎn)峻，不利于物資運(yùn)輸?shù)那闆r下，極大地影響了救援行動(dòng)的效率。多旋翼無(wú)人機(jī)集成了擁有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，而且不受起飛場(chǎng)地的限制，對(duì)于特殊環(huán)境下的救援物資的投遞有著非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)無(wú)人機(jī)的視頻傳輸，讓地面控制中心準(zhǔn)確定位救援范圍，并且使用自身攜帶的滅火救援設(shè)備進(jìn)行輔助救援，為滅火救援行動(dòng)的開(kāi)展提供有力支撐。

3.4 空中無(wú)線中繼

多旋翼無(wú)人機(jī)可以充當(dāng)空中轉(zhuǎn)信臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通訊信號(hào)的中繼和放大、有效地延伸無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，尤其是在極端情況下，可以確保信息傳輸?shù)挠行?，提升滅火救援的成功率[10]。無(wú)人機(jī)在對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)拍攝的同時(shí)，利用無(wú)線圖傳技術(shù)，實(shí)時(shí)傳輸高清圖像至地面接收終端，傳輸高清影像。利用高清攝像頭對(duì)高層及超高層建筑內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸內(nèi)部畫(huà)面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情隱患、被困人員分布，幫助消防人員掌握現(xiàn)場(chǎng)火情實(shí)時(shí)情況，制定滅火救援行動(dòng)計(jì)劃。此外，無(wú)人機(jī)還可以將空中監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)接入其他安防或消防監(jiān)控系統(tǒng)等。由于無(wú)線傳輸技術(shù)具備廣播式傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，無(wú)人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息可以同時(shí)被地面控制中心、應(yīng)急車接收，有效實(shí)現(xiàn)資源共享。

3.5 適用于各種救援場(chǎng)景

多旋翼無(wú)人機(jī)小巧靈活、控制簡(jiǎn)單，適用于各種救援場(chǎng)景。通過(guò)遠(yuǎn)程遙控的方式不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工提升救援效率，而且在復(fù)雜、危險(xiǎn)的場(chǎng)景中能夠發(fā)揮更多優(yōu)勢(shì)。多旋翼無(wú)人機(jī)可以搭載高清攝像機(jī)、救援設(shè)備、無(wú)線通訊系統(tǒng)，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)完成救援任務(wù)，最大限度地確保消防人員的生命安全，并能通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的跟拍、追蹤，為事故處置的指揮決策提供安全和可靠的依據(jù)，能夠有效控制災(zāi)情發(fā)展，提升滅火救援效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著微電子技術(shù)和飛行控制技術(shù)的成熟，智能化和模塊化技術(shù)降低了無(wú)人機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)成本，提升了多旋翼無(wú)人機(jī)的發(fā)展空間，廣泛用于快遞運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)、滅火救援、航拍等領(lǐng)域。現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)技術(shù)在我國(guó)消防部隊(duì)中的應(yīng)用日趨廣泛，面對(duì)一些復(fù)雜的滅火救援行動(dòng)以及各類地震救援、抗洪搶險(xiǎn)、救災(zāi)任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)有著傳統(tǒng)人力救援無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)。借助無(wú)人機(jī)技術(shù)可以有效實(shí)施消防預(yù)警和現(xiàn)場(chǎng)偵測(cè)等高危環(huán)境作業(yè)，借助其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)可以準(zhǔn)確快速地定位受災(zāi)區(qū)域，提高救援效率。隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)及飛行控制方案的不斷成熟，多旋翼無(wú)人機(jī)的功能更加全面和多樣，可以有效地實(shí)現(xiàn)地面聯(lián)動(dòng)，高效地執(zhí)行滅火救援任務(wù)，使其成為未來(lái)消防部隊(duì)滅火救援行動(dòng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。