關(guān)于消防無人機(jī)火力控制系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)想

解晨陽 李祺 曹威 任魯哲 楊百川 紀(jì)任鑫 黃宇

摘要：近些年，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并逐步成熟，無人機(jī)的運(yùn)用日趨廣泛。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型火災(zāi)時有發(fā)生。同時，火場內(nèi)部復(fù)雜度、危險度不斷上升。因此，無人機(jī)在消防的運(yùn)用逐步增加。其中，利用無人機(jī)攜帶滅火彈對火源實施打擊已成為一種常見的滅火手段。通過對消防救援隊伍使用無人機(jī)進(jìn)行火災(zāi)撲救方式的調(diào)研，了解到現(xiàn)階段無人機(jī)攜帶滅火彈進(jìn)行打擊的精準(zhǔn)度并不高，對于打擊時機(jī)、打擊位置的把控主要依靠無人機(jī)飛手的經(jīng)驗，易產(chǎn)生較大誤差。因此，開發(fā)一種提高無人機(jī)帶彈打擊精度的軟件成為當(dāng)前無人機(jī)滅火作戰(zhàn)的迫切需求?，F(xiàn)階段，已有多種開源無人機(jī)能實現(xiàn)二次開發(fā)。同時，DJImobile SDK、DJI Onboard SDK等多種無人機(jī)軟件開發(fā)平臺也為相關(guān)研究提供了便利。本文在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，探討性地提出了消防無人機(jī)火力控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)想。

關(guān)鍵詞：消防無人機(jī);火力控制系統(tǒng);開發(fā)設(shè)想

近些年，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展并逐步成熟，無人機(jī)的運(yùn)用日趨廣泛。隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型火災(zāi)時有發(fā)生。同時，火場內(nèi)部復(fù)雜度、危險度不斷上升。因此，無人機(jī)在消防的運(yùn)用逐步增加。其中，利用無人機(jī)攜帶滅火彈對火源實施打擊已成為一種常見的滅火手段?，F(xiàn)階段無人機(jī)攜帶滅火彈進(jìn)行打擊的精準(zhǔn)度還有待提高，做好無人機(jī)火力控制系統(tǒng)開發(fā)是提高無人機(jī)攜帶滅火彈打擊精準(zhǔn)度的重要一環(huán)。火力控制系統(tǒng)開發(fā)需要綜合考慮多種物理因素影響，通過數(shù)理分析構(gòu)建模型。在工程應(yīng)用中還需對已建立模型做一定的簡化處理，同時在數(shù)據(jù)上可能需要做一定的變換?；鹆刂葡到y(tǒng)的開發(fā)可分為多個階段，通過以下三個階段完成相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)：數(shù)理模型構(gòu)建階段、仿真驗證階段、程序開發(fā)階段。

一、數(shù)理模型構(gòu)建階段

通過分析無人機(jī)在攜帶滅火彈進(jìn)行火源打擊任務(wù)過程中的大氣環(huán)境，結(jié)合空氣動力學(xué)，并加以工程應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)優(yōu)化構(gòu)建數(shù)理模型，推算出無人機(jī)滅火彈拋擲的最佳位置。

1.坐標(biāo)系的選取?；鹆刂评碚撋婕岸喾N坐標(biāo)系，例如直角坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系等等，根據(jù)任務(wù)需求和實際操作性，我科研小組選取大地坐標(biāo)系為算法的主要坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系也稱世界坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系，在該坐標(biāo)系中，無人機(jī)指向地球正北的方向為X軸，正東的方向為Y軸，X軸與Y軸相互垂直，Z軸豎直指向無人機(jī)下方，在滿足“右手法則”前提下，Z軸將根據(jù)無人機(jī)飛行實際情況調(diào)節(jié)角度，因此該坐標(biāo)系也稱為“北-東-地（N-E-D）坐標(biāo)系”。

2.條件設(shè)置。令無人機(jī)投彈時初速度為V，投彈位置為P。由于下落時間較短，且投擲滅火彈后，滅火彈軌跡無法再做修正。所以可將任意時刻、任意位置的風(fēng)速視為不變量，即投彈瞬間無人機(jī)所處位置P的風(fēng)速，以矢量表示為（ ）。假設(shè)落體落點為Q，滅火彈下落過程中位于任意一點的速度為V（ ）（參看圖1）。

3.公式引用。式中：C為空氣阻力系數(shù)，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān);ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實地監(jiān)測;S為物體迎風(fēng)面積;V為物體與空氣的相對運(yùn)動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。

4.模型建立（參看圖2、3）。在豎直方向，即Z軸方向，在計算過程中，忽視豎直風(fēng)速原因：（1）豎直風(fēng)作用，情況較為復(fù)雜。且在運(yùn)動過程中存在運(yùn)動狀態(tài)突變，不利于計算。（2）常用風(fēng)速計無法準(zhǔn)確測出物體運(yùn)動狀態(tài)下的豎直風(fēng)力。（3）無人機(jī)攜帶滅火彈進(jìn)行火點打擊的高度較低，相比重力作用，豎直風(fēng)力作用效果有限。綜上，忽視豎直風(fēng)速的Z軸模型建立如下：滅火彈在豎直方向下落過程中，受到重力和空氣阻力的共同作用，重力已知為g，我們選取北京重力為參考，即9.8015kg*m/s2。對空氣阻力，有，其中C為空氣阻力系數(shù)（由實驗而得），為空氣密度，S為迎風(fēng)面積，V為滅火彈與空氣相對速度，在這里設(shè)空氣豎直方向速度為0。受力分析可知：

對v進(jìn)行積分可得到下落高度與t的關(guān)系：

若再簡化Z軸方向模型，將豎直方向運(yùn)動簡化為自由落體運(yùn)動，計算可知不同高度下落時所用時間（下文仿真模擬將豎直方向運(yùn)動均近似為自由落體運(yùn)動）。

二、仿真驗證階段

利用matlab對已構(gòu)建模型進(jìn)行仿真驗證（詳略）。

三、程序開發(fā)階段

基于DJI Mobile SDK進(jìn)行程序開發(fā)。DJI Mobile SDK縮寫為MSDK，是一款軟件開發(fā)套件，旨在讓開發(fā)者能訪問DJI無人機(jī)和手持相機(jī)產(chǎn)品的豐富功能。該SDK包括：可導(dǎo)入Android或iOS應(yīng)用程序的 庫/框架，用于訪問DJI產(chǎn)品的功能飛行模擬器和可視化工具適用于iOS的調(diào)試工具和遠(yuǎn)程logger示例代碼和教程、開發(fā)者指南和API文檔。通過DJI Mobile SDK進(jìn)行編程，利用數(shù)據(jù)的實時交互性，開發(fā)出一款可實時計算無人機(jī)攜帶滅火彈最佳打擊位置的程序。通過可視化技術(shù)，為使用者呈現(xiàn)一個較為友好的操作界面：（1）實時數(shù)據(jù)的獲取。通過MSDK所附加的廣播與訂閱功能獲取算法所需要的無人機(jī)相關(guān)的實時數(shù)據(jù)?？紤]到氣象條件的實時變化，相關(guān)數(shù)據(jù)的刷新頻率定為3Hz。（2）數(shù)據(jù)的傳輸。通過編寫一套基于Java語言的程序?qū)⑺嗛喌臒o人機(jī)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閠xt文本格式，以無線局域網(wǎng)為媒介，將數(shù)據(jù)信息輸入電腦。通過C++編寫算法得出計算結(jié)果。

四、結(jié)語

無人機(jī)在應(yīng)急救援運(yùn)用不斷推進(jìn)?？茖W(xué)合理使用無人機(jī)參與應(yīng)急救援可以最大程度減少人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失，提高救援效率。通過對于無人機(jī)火力控制系統(tǒng)的開發(fā)，可以提高滅火打擊精度，并在一定程度上取代人力撲救，對于滅火實戰(zhàn)具有重大意義。

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作者簡介：解晨陽（2001-），男，漢族，安徽滁州人，主要研究方向：飛行器控制與信息工程。