摘要：森林火災(zāi)救援工作面臨著地形復(fù)雜、火情多變、基礎(chǔ)設(shè)施缺乏等困難，亟需借助現(xiàn)代科技手段提高救援效率和保障人員安全。無人機(jī)作為一種可操控飛行器，能夠迅速到達(dá)災(zāi)區(qū)上空，采集大范圍、高分辨率的火場圖像和數(shù)據(jù)，從而幫助救援團(tuán)隊(duì)快速了解火場狀況并制定有效的滅火方案。同時，無人機(jī)的應(yīng)用還有助于減少救援人員的直接介入，降低因?yàn)?zāi)害造成的人員傷亡風(fēng)險。文章針對消防無人機(jī)核心功能模塊進(jìn)行設(shè)計研究，設(shè)計了基于I2C通信的MPU6050慣性測量模塊，用于無人機(jī)的飛行姿態(tài)檢測；設(shè)計了基于AI視覺模塊K210與DVP攝像頭接口的火災(zāi)圖像采集模塊電路；展示了HC-SR04超聲波測距模塊電路結(jié)構(gòu)及其工作時序。所設(shè)計的模塊電路具有較好的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；森林消防；熱感；火情偵查

中圖分類號：TN7" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：張燁麟（2002— ），男，學(xué)士；研究方向：交通信息工程及控制。

0" 引言

森林是自然界中重要的生態(tài)系統(tǒng)，是生態(tài)鏈中不可或缺的環(huán)節(jié)，保護(hù)好現(xiàn)有的森林資源是可持續(xù)發(fā)展的重要前提［1］。而對森林資源危害最大的就是森林火災(zāi)，隨著全球氣候變暖和人類活動的增加，森林火災(zāi)發(fā)生的頻率和規(guī)模都可能會增加［2］，這給人類和生態(tài)系統(tǒng)都帶來了嚴(yán)重的威脅，如何采取有效的措施來減少森林火災(zāi)的風(fēng)險，如何在保障消防人員安全的前提下，使森林資源損失降到最低限度，已經(jīng)成為人們亟待思考和解決的重要課題［3］。

1" 無人機(jī)應(yīng)用于森林火災(zāi)救援的優(yōu)勢

森林火災(zāi)通常有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、火勢多變等特點(diǎn)，為提高森林火災(zāi)的救援效率，急需借助現(xiàn)代科技手段。無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）也稱無人飛行器，通常由地面操作人員通過遙控設(shè)備進(jìn)行控制，或者通過預(yù)編程的飛行計劃自動執(zhí)行任務(wù)［4］。近年來，隨著技術(shù)進(jìn)步，越來越多的無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)半自主或全自主飛行，即通過機(jī)載計算機(jī)系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行導(dǎo)航及任務(wù)執(zhí)行。無人機(jī)非常適用于森林火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)控、救援等消防作業(yè)［5］。應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行森林火災(zāi)的火情偵查、輔助救援具有多方面的優(yōu)勢和意義，具體如下。

（1）快速響應(yīng)。無人機(jī)可以迅速部署到火場，第一時間對火場進(jìn)行評估，提供重要的火情信息，并對火災(zāi)走勢進(jìn)行判斷［6］。對于突發(fā)的森林火災(zāi)，這種快速響應(yīng)能力是非常關(guān)鍵的。

（2）高效率監(jiān)控。無人機(jī)搭載的高清攝像頭和熱成像設(shè)備可以對火場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)火源和熱點(diǎn)區(qū)域。并幫助精確定位火源位置，為地面滅火隊(duì)伍提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，這在復(fù)雜多變的森林地形中尤為重要［7］。

（3）安全性。森林火災(zāi)現(xiàn)場往往非常危險，無人機(jī)的使用可以減少人員直接參與偵查的風(fēng)險，有效保障人員安全。

（4）數(shù)據(jù)處理與指揮系統(tǒng)。無人機(jī)系統(tǒng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以實(shí)時傳輸火場圖像和數(shù)據(jù)，為指揮決策提供支持［8］。

2" 消防無人機(jī)的組成

目前常用的森林火災(zāi)救援無人機(jī)有多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)2種，它們都是較為復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，除無人機(jī)的飛行平臺外，還由多個功能模塊組成，常用的模塊包括如下。

（1）飛行控制模塊。這是無人機(jī)的核心，負(fù)責(zé)控制無人機(jī)的起飛、飛行和著陸，能確保無人機(jī)穩(wěn)定飛行并按照預(yù)定航線作業(yè)。

（2）動力系統(tǒng)模塊。提供無人機(jī)所需的推力，包括電機(jī)、螺旋槳和電池等部件。動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率直接影響無人機(jī)的飛行時間和負(fù)載能力。

（3）傳感器模塊。包括攝像頭、熱成像儀和其他檢測設(shè)備，用于采集火場的視覺和熱圖像信息。這些數(shù)據(jù)對于評估火勢和發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域至關(guān)重要。

（4）通信模塊。為無人機(jī)與操作員之間提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和遙控指揮。良好的通信系統(tǒng)能夠確保復(fù)雜環(huán)境中人機(jī)之間的聯(lián)系。

（5）導(dǎo)航定位模塊。通常包括GPS和其他定位系統(tǒng)，確保無人機(jī)能夠準(zhǔn)確定位并按照預(yù)定路線飛行。

（6）載荷模塊。根據(jù)不同的任務(wù)需求，可能會有專門的載荷設(shè)備，如投放物資的夾持裝置或者特定的監(jiān)測儀器。

3" 消防無人機(jī)的模塊設(shè)計

消防無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是跨學(xué)科的綜合性領(lǐng)域，涉及航空工程、電子工程、計算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)、人工智能等，下面僅就無人機(jī)的幾個核心技術(shù)進(jìn)行探究。

3.1" 飛行姿態(tài)檢測

無人機(jī)的飛行姿態(tài)檢測是確保其穩(wěn)定飛行和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。而姿態(tài)檢測的硬件核心是慣性測量單元（IMU），IMU通常包括加速度計、陀螺儀等傳感器，用于測量無人機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，并通過姿態(tài)解算來提供實(shí)時的姿態(tài)信息。目前IMU種類較多，其中MPU6050是一種較常用的慣性測量模塊。MPU6050 是一款6軸運(yùn)動處理傳感器，集成了3軸MEMS加速度計、3軸MEMS陀螺儀和1個數(shù)字運(yùn)動處理器（Digital Motion Processor，DMP），這使得MPU6050能夠同時檢測和處理物體在空間中的加速度和角速度信息，從而提供更全面的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)。MPU6050可以通過I2C或SPI接口輸出數(shù)據(jù)，便于與各種微控制器或處理器連接，廣泛應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)的運(yùn)動檢測領(lǐng)域。

MPU6050 電路連接如圖1所示，通過 I2C 進(jìn)行通信，最快通信速度為 400 k/s，可以及時獲得當(dāng)前無人機(jī)的6軸數(shù)據(jù)。MPU6050的6軸功能為開發(fā)者提供豐富的運(yùn)動信息，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

在此硬件基礎(chǔ)上，再通過姿態(tài)估計算法來確定無人機(jī)在空中的姿態(tài)，即滾動、俯仰和偏航角度。無人機(jī)飛行姿態(tài)的檢測是一個復(fù)雜的過程，涉及多個傳感器和算法的協(xié)同工作。正確的飛行姿態(tài)對于無人機(jī)的穩(wěn)定性和任務(wù)執(zhí)行至關(guān)重要。在飛行時，無人機(jī)會根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)調(diào)整其姿態(tài)，以確保飛行的安全性和準(zhǔn)確性。

3.2" 火災(zāi)圖像采集

無人機(jī)可配備攝像頭用于監(jiān)視火場和周圍區(qū)域，提供火勢蔓延的實(shí)時視圖，幫助消防人員評估情況和規(guī)劃滅火策略。目前可選用的攝像頭模塊種類較多，其中K210是一款功能強(qiáng)大的AI視覺模塊，不但可以進(jìn)行視頻實(shí)時監(jiān)控，還具備視覺識別功能，能夠?qū)馂?zāi)、煙霧等情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的識別。

K210具有雙核64位處理器，總算力可達(dá)1 TOPS，內(nèi)置多種硬件加速單元（KPU、FFT等），該芯片帶有獨(dú)立FPU的雙核處理器、64位CPU位寬、8 M片內(nèi)SRAM，支持乘法、除法和平方根運(yùn)算的雙精度FPU，并且擁有較好的功耗性能、穩(wěn)定性與可靠性。K210與24 Pin DVP攝像頭接口如圖2所示。

K210支持Maixpy開發(fā)，應(yīng)用K210視覺模塊進(jìn)行火焰識別，其原理是基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)，K210內(nèi)置了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器KPU，可以在低功耗情況下實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，借助于硬件加速能力，K210可以使用多種深度學(xué)習(xí)框架（TensorFlow Lite、 Caffe）來實(shí)現(xiàn)火源的識別。

3.3" 熱感探測技術(shù)

普通的攝像機(jī)可捕捉火焰和煙霧的可見光圖像，但受限于光線條件，夜間或能見度低的情況下效果不佳。而森林火災(zāi)發(fā)生時，常常伴有很重的濃煙，所以上空能見度并不理想。熱感探測技術(shù)是一種利用紅外線熱成像技術(shù)來監(jiān)測和定位火源的方法，可以使無

人機(jī)在黑暗或有煙霧的情況下偵察火場，通過檢測火災(zāi)產(chǎn)生的熱量，能夠在黑暗或煙霧彌漫的情況下發(fā)現(xiàn)隱蔽的火源和余燼。這項(xiàng)技術(shù)通過紅外相機(jī)或無人機(jī)搭載的熱感儀器，利用附著大量紅外探測器像元的紅外焦平面陣列來采集熱輻射能量信號，能夠迅速檢測到火源的熱量輻射，并將其轉(zhuǎn)化為熱圖顯示出來。這樣，救援人員可以準(zhǔn)確判斷火災(zāi)的位置、大小和形態(tài)，有針對性地制定滅火策略，并指導(dǎo)撲救行動。通過熱感技術(shù)還可以追蹤火勢的移動和強(qiáng)度，幫助消防員預(yù)測火勢的蔓延；熱成像傳感器可以穿透煙霧和碎片，搜索、定位被困人員。

FLIR（Forward Looking Infrared）和高德智感等品牌提供的紅外熱像儀均適用于無人機(jī)火災(zāi)檢測。FLIR的紅外火焰探測器采用先進(jìn)的紅外成像技術(shù)和算法，能夠高效地檢測和識別火焰，提供清晰的熱圖像，有助于及時發(fā)現(xiàn)火源和熱點(diǎn)，適用于無人機(jī)森林火災(zāi)檢測領(lǐng)域；高德智感的紅外熱像儀在性價比上較具優(yōu)勢，其產(chǎn)品具有良好的圖像質(zhì)量和穩(wěn)定的性能，也非常適合用于無人機(jī)火災(zāi)檢測。

3.4" 超聲波技術(shù)

無人機(jī)可以安裝超聲波測距模塊，利用超聲波傳感器來檢測障礙物距離，并實(shí)現(xiàn)避障功能。在森林火災(zāi)檢測和撲救中，火源周圍可能存在密集的樹木、山體巖石等障礙物，給無人機(jī)的飛行帶來困難。無人機(jī)可以通過測距模塊發(fā)射超聲波信號，并接收這些信號的反射波來檢測障礙物。無人機(jī)可根據(jù)這些超聲波信息并綜合攝像頭采集到的圖像來實(shí)時檢測障礙物的位置和距離，從而做出相應(yīng)的避障動作。目前可應(yīng)用的超聲波測距模塊較多，而HC-SR04超聲波模塊結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，可作為超聲波避障模塊的備選方案之一。其內(nèi)部電路如圖3所示。

HC-SR04超聲波模塊有4個引腳，分別為：電源（Vcc）、 控制端（Trig）、 接收端（Echo）、 地（Gnd）。Trig引腳的觸發(fā)信號和Echo引腳的輸出回響信號如圖4所示。

HC-SR04采用IO觸發(fā)測距，給Trig引腳至少10 μS的高電平信號。該模塊會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，然后自動檢測是否有回波信號返回。如果有信號返回，Echo引腳輸出高電平，即回響信號，而回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。

障礙物距離=回響信號高電平時間×聲速（243 m·s-1）/2

根據(jù)上式計算出無人機(jī)與障礙物間的距離后，可采取適當(dāng)?shù)男袆觼肀苊馀鲎?。由于篇幅限制，無人機(jī)其他功能模塊這里不再贅述。

4" 結(jié)語

將無人機(jī)應(yīng)用到森林防火監(jiān)測中，能有助于提早發(fā)現(xiàn)森林火情，及時掌握火情信息，迅速部署防火力

量，盡可能把嚴(yán)重的火情撲滅于萌芽狀態(tài)。無人機(jī)在森林火災(zāi)中的應(yīng)用不僅提高了火情偵查的效率和安全性，還可對災(zāi)后重建和長期的環(huán)境保護(hù)提供有力的技術(shù)支持。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在森林火災(zāi)管理中的作用越來越大，對于保護(hù)生命財產(chǎn)安全和森林資源意義重大。

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（編輯" "沈" 強(qiáng)）

Design and research of forest fire rescue UAV

ZHANG" Yelin

（Computer and Communication School， Dalian Jiaotong University， Dalian 116029， China）

Abstract： Forest fire rescue work faces difficulties such as complex terrain， variable fire conditions， and lack of infrastructure. It is urgent to use modern technological means to improve rescue efficiency and ensure personnel safety. As a controllable aircraft， UAV can quickly reach the airspace over disaster areas， collect large-scale high-resolution fire scene images and data， thereby helping rescue teams quickly understand the fire situation and develop effective firefighting plans. At the same time， the application of UAV also helps to reduce the direct intervention of rescue personnel and reduce the risk of casualties caused by disasters. This article focuses on the design of core functional modules for firefighting UAV. An MPU6050 inertial measurement module based on I2C communication is designed for flight attitude detection of UAV. A fire image acquisition module circuit based on AI vision module K210 and DVP interface is designed. The circuit structure and sequence diagram of the HC-SR04 ultrasonic ranging module are shown， and these designed module circuits have good practical value.

Key words： UAV; forest fire protection; heat sensation; fire investigation