防汛無(wú)人機(jī)的機(jī)型選擇及應(yīng)用方向

王宇佳

（陜西省防汛抗旱總指揮部信息中心，陜西 西安 710004）

防汛無(wú)人機(jī)的機(jī)型選擇及應(yīng)用方向

王宇佳

（陜西省防汛抗旱總指揮部信息中心，陜西 西安 710004）

研究新型技術(shù)，提高防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)能力，是防汛信息部門的重要工作。通過(guò)對(duì)比不同類型的無(wú)人機(jī)特性，結(jié)合防汛工作特點(diǎn)，選擇多旋翼無(wú)人機(jī)作為防汛無(wú)人機(jī)。將其成熟的技術(shù)應(yīng)用到巡查預(yù)警、應(yīng)急救援、災(zāi)情評(píng)估等防汛工作中，有效提高防汛工作的信息化水平, 為科學(xué)有效的指揮決策提供重要支撐。

防汛；無(wú)人機(jī)；應(yīng)急搶險(xiǎn)

無(wú)人機(jī)是集無(wú)線電、電子信息、自動(dòng)化、人工智能、材料等學(xué)科先進(jìn)成果于一身的不載人飛行器，相對(duì)于載人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、飛行靈活、運(yùn)維便捷、低成本等特點(diǎn)。能在抗洪搶險(xiǎn)、地質(zhì)災(zāi)害、森林防火等工作中執(zhí)行巡查預(yù)警、應(yīng)急救援、災(zāi)情評(píng)估等任務(wù)，為科學(xué)有效的指揮決策提供重要支撐。本文通過(guò)分析無(wú)人機(jī)的類型，以及防汛工作特點(diǎn)及需求，探討適合防汛工作的無(wú)人機(jī)機(jī)型，以及無(wú)人機(jī)的應(yīng)用方向。

1 防汛無(wú)人機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)及要求

汛情主要是由于強(qiáng)降雨、臺(tái)風(fēng)等極端天氣因素，可能導(dǎo)致山地災(zāi)害、城市內(nèi)澇、江河洪水等災(zāi)害的狀況。防汛就是防洪，防止和減輕洪水災(zāi)害。防汛工作具有汛情發(fā)生突然、救災(zāi)救人緊迫、作業(yè)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。根據(jù)防汛工作特點(diǎn)，對(duì)防汛無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地、飛行性能、功能、易用性等方面有一定要求。

1.1 起降場(chǎng)地要求

由于無(wú)人機(jī)在防汛工作中的應(yīng)用都在戶外惡劣環(huán)境下進(jìn)行，一般不具備良好的場(chǎng)地環(huán)境。所以要求防汛無(wú)人機(jī)在復(fù)雜地形下可以起飛，不受場(chǎng)地制約限制。并且要滿足快速響應(yīng)的需要，能在短時(shí)間內(nèi)完成起飛操作執(zhí)行任務(wù)。

1.2 飛行性能要求

防汛工作氣候環(huán)境苛刻，時(shí)常伴有大風(fēng)大雨，經(jīng)常要對(duì)一些險(xiǎn)工險(xiǎn)段進(jìn)行持續(xù)性拍攝；在救援工作中需要攜帶一些物資或設(shè)備。所以要求無(wú)人機(jī)低空飛行靈活具有一定的抗風(fēng)防雨能力，能夠穩(wěn)定懸停，并且要有一定的載荷能力，滿載續(xù)航要達(dá)到30 min以上。

1.3 功能

無(wú)人機(jī)在手動(dòng)遙控飛行的同時(shí)必須具備自主飛行的能力，且需按照預(yù)設(shè)任務(wù)自主完成飛行任務(wù)并安全降落，在出現(xiàn)故障或通訊不暢等緊急情況下自動(dòng)返回指定地點(diǎn)安全著陸?？身樌尤胄l(wèi)星通訊車，實(shí)現(xiàn)圖、聲的遠(yuǎn)程傳輸。在掛載各種專業(yè)設(shè)備并協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)攝影錄像、空中播報(bào)、物資投放、紅外搜救、三維建模等功能。

1.4 易用性

快速響應(yīng)是防汛工作特性，無(wú)人機(jī)及外設(shè)要基于模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)制造。使之便攜、拆裝方便，最大程度縮短起飛前的準(zhǔn)備時(shí)間。操作簡(jiǎn)單，容易上手。

2 防汛無(wú)人機(jī)機(jī)型選擇

無(wú)人機(jī)主要由機(jī)身框架、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)5部分組成。一般分為固定翼無(wú)人機(jī)、直升無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)3大類。

2.1 固定翼無(wú)人機(jī)

固定翼無(wú)人機(jī)靠發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，或者渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前的動(dòng)力，主要的升力來(lái)自一定角度的機(jī)翼穿過(guò)氣流產(chǎn)生的浮力。所以，固定翼飛行器必須要有一定的空氣相對(duì)速度才會(huì)有升力來(lái)飛行[1]。

優(yōu)點(diǎn)是飛行速度高、續(xù)航長(zhǎng)、載重大，缺點(diǎn)是起降需要跑道或彈射器、操作難度高、不能懸停。所以，固定翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用具有一定的局限性。

2.2 直升無(wú)人機(jī)

直升無(wú)人機(jī)與載人直升機(jī)工作原理基本相似。依靠發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，主旋翼提供升力，尾旋翼通過(guò)陀螺儀偵測(cè)的回轉(zhuǎn)角調(diào)整螺距抵消主槳產(chǎn)生的反作用力，從而平衡機(jī)身和左右轉(zhuǎn)彎。另外通過(guò)傾斜盤調(diào)整主旋翼槳葉角使主槳周期變距，達(dá)到調(diào)整主槳旋轉(zhuǎn)平面不同區(qū)域的升力的目的，從而實(shí)現(xiàn)向前、后、左、右方向飛行[1]。

優(yōu)點(diǎn)是載重較大、能懸停，缺點(diǎn)是操作難度高、機(jī)械結(jié)構(gòu)架復(fù)雜、不適用于復(fù)雜地形、成本高。所以，直升無(wú)人機(jī)僅適用于具有一定載荷及懸停要求的作業(yè)環(huán)境。

2.3 多旋翼無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)同直升機(jī)一樣是垂直起飛的，需依靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來(lái)平衡飛機(jī)的重力，實(shí)現(xiàn)起飛。無(wú)需改變槳葉角、螺距等參數(shù)，也不需要陀螺儀、側(cè)傾盤等設(shè)備，只需通過(guò)飛行控制系統(tǒng)改變驅(qū)動(dòng)各個(gè)旋翼的電機(jī)轉(zhuǎn)速便可輕松控制前、后、左、右、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降多種飛行姿態(tài)[1]。由于具有多個(gè)旋翼，多旋翼無(wú)人機(jī)可以比較平穩(wěn)的懸停，也比較靈活，在一定速度范圍內(nèi)以任意的速度飛行，基本上就是一個(gè)空中的飛行平臺(tái)?？稍谄脚_(tái)上加裝攝像機(jī)、高音喇叭、拋投器、正攝像機(jī)、傾斜相機(jī)、多光譜相機(jī)、紅外相機(jī)等，實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)需要。

優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、運(yùn)維便捷、起飛環(huán)境要求低、能平穩(wěn)懸停；缺點(diǎn)是載重小、續(xù)航時(shí)間較短。所以，作為空中飛行平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。

2.4 防汛無(wú)人機(jī)的機(jī)型選擇

三種無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)比較見表1。

表1 固定翼無(wú)人機(jī)、直升無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)特點(diǎn)比較

由于跑道或彈射器不易搭建，不能滿足隨時(shí)隨地起飛、快速響應(yīng)的需要，且固定翼無(wú)人機(jī)不能懸停，故不適合防汛工作。直升無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)均滿足快速響應(yīng)和懸停的需求，但相比直升無(wú)人機(jī)較高的操作難度和維護(hù)成本，多旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)比較純粹的空中平臺(tái)，具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)便捷等特點(diǎn)。故多旋翼無(wú)人機(jī)適用于防汛工作。

3 應(yīng)用方向

3.1 巡查預(yù)警

對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行巡查預(yù)警。在強(qiáng)降雨等極端情況下，駕駛搭載高清云臺(tái)攝像機(jī)的無(wú)人機(jī)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)實(shí)況進(jìn)行拍攝。通過(guò)超短波通訊技術(shù)將高空實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛嬲?，進(jìn)而通過(guò)和衛(wèi)星通訊車的連接傳回指揮中心，讓各方獲得直觀的實(shí)時(shí)汛情。為快速、科學(xué)的防汛決策提供有力支撐[2]。

3.2 應(yīng)急救援

高空喇叭全面疏散。使用無(wú)人機(jī)掛載無(wú)線高音喇叭高空巡航，空中廣播預(yù)警語(yǔ)音。在群眾緊急撤離、疏散工作中能起到便捷、高效的作用。群眾被困，實(shí)時(shí)的高空喊話可起到安撫作用，協(xié)助救援。

自動(dòng)拋投定點(diǎn)救援。人員被困無(wú)法接近時(shí)，使用無(wú)人機(jī)掛載高空拋投器，將救生衣、繩索、急救包、食物等物資準(zhǔn)確投向被困人員，對(duì)其施救。

紅外搜救失蹤人員。受災(zāi)地區(qū)通常難以進(jìn)入，失蹤、被困群眾搜救工作比較困難，使無(wú)人機(jī)掛載紅外攝像機(jī)全面搜索災(zāi)區(qū)，可快速搜尋被困群眾，為施救贏得寶貴時(shí)間。

根據(jù)空中平臺(tái)掛載的不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種救援功能，大大提高了應(yīng)急救援的效率，將災(zāi)害損失降到最低程度。

3.3 災(zāi)情評(píng)估

通過(guò)地面控制站對(duì)災(zāi)區(qū)空域進(jìn)行規(guī)劃，使掛載正射攝像機(jī)的無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的高度和路徑自動(dòng)飛行采集正射影像數(shù)據(jù)。使用軟件對(duì)收集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算，獲得高素質(zhì)的數(shù)字正射影像圖（DOM）。為災(zāi)情評(píng)估提供重要依據(jù)。

通過(guò)無(wú)人機(jī)代替有人機(jī)獲得數(shù)字正射影像圖的方法簡(jiǎn)單、便捷且成本較低，可應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，值得推廣。

3.4 三維建模

對(duì)各類防洪、水利工程主體進(jìn)行拍攝、建模、測(cè)量及分析。

同樣，通過(guò)地面控制站對(duì)特定設(shè)施的空域進(jìn)行規(guī)劃，使掛載五鏡頭傾斜相機(jī)的無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃的高度和路徑自動(dòng)飛行采集圖像數(shù)據(jù)。通過(guò)三維建模應(yīng)用軟件將采集的圖像數(shù)據(jù)整理、計(jì)算，得到一個(gè)包含高程、距離等量度信息的三維數(shù)字模型。

通過(guò)量化的三維模型可進(jìn)行線面繪制、距離測(cè)量、高度測(cè)量、三角測(cè)量和面積測(cè)量等多種量測(cè)。測(cè)量所得數(shù)據(jù)可應(yīng)用于其他專業(yè)分析軟件進(jìn)行一系列分析，如淹沒(méi)演示分析、填挖分析、剖面分析、通視分析等。為防汛、水利工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)起到重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)憑借高靈活性、易用性、低成本等特點(diǎn)，使其在防汛工作中的重要作用逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)防汛工作需要，無(wú)人機(jī)技術(shù)可應(yīng)用到巡查預(yù)警、應(yīng)急救援、災(zāi)情評(píng)估等防汛工作中，有效提高防汛工作的信息化水平，為科學(xué)有效的指揮決策提供重要支撐。

[1]魏瑞軒，李學(xué)仁.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2009.

[2]王新,陳武,汪榮勝,等.淺論低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水利相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景[J].浙江水利科技，2010，11（06）：27～29.

TP391

A

1673-9000（2017）05-0168-02

2017-08-14

王宇佳（1985-），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事防汛、水利信息化工作。