基于多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場救援中的應(yīng)用＊

谷海紅 ， 鄭金松 ， 蔣慶剛 ， 楊曉紅

（1.河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030；2.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

1 多旋翼無人機(jī)的技術(shù)框架及技術(shù)特點(diǎn)

多旋翼無人機(jī)主要由傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)組成。

1）傳感器作為多旋翼無人機(jī)感知系統(tǒng)的重要組成部分，其作用不言而喻，良好的傳感器數(shù)據(jù)為導(dǎo)航系統(tǒng)的解算提供了扎實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）導(dǎo)航系統(tǒng)則結(jié)合不同的傳感器數(shù)據(jù)，使用最優(yōu)估計算法進(jìn)行多旋翼飛行器的狀態(tài)參量計算，如飛行器的姿態(tài)角、速度、位置等，一個良好的最優(yōu)估計算法能夠為控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的反饋數(shù)據(jù)。

3）控制系統(tǒng)是保障多旋翼飛行器飛行穩(wěn)定的核心系統(tǒng)，主要由基于反饋的控制算法組成。

4）動力系統(tǒng)則主要由電池、電機(jī)、電調(diào)及槳葉組成，該系統(tǒng)為多旋翼無人機(jī)提供升力。事實上，該系統(tǒng)也是一個完整的反饋控制系統(tǒng)，其中，電調(diào)通過對電機(jī)的電流、電壓采樣形成反饋控制律，控制電機(jī)達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速，為多旋翼飛行器提供合適的升力[1]。

5）故障診斷系統(tǒng)則根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的中間參量進(jìn)行診斷，實時地給出子系統(tǒng)運(yùn)行健康狀況，如多旋翼無人機(jī)的某一組槳葉出現(xiàn)破損，導(dǎo)致飛行器升力不足，此時，故障診斷系統(tǒng)會迅速診斷出該故障，并提示控制系統(tǒng)切換對應(yīng)的故障預(yù)案，以保證飛行器的飛行安全。

6）決策及規(guī)劃系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)“業(yè)務(wù)級”的決策，如無人機(jī)的避障與路徑規(guī)劃，電量不足與傳感器異常時的緊急預(yù)案等。決策與規(guī)劃系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了該無人機(jī)系統(tǒng)的智能化程度以及能力集的大小。傳感器與導(dǎo)航系統(tǒng)共同組成了“感知與狀態(tài)估計”子模塊，它是多旋翼無人機(jī)的“眼睛”。在該模塊中，首先需要對傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)其特性設(shè)計對應(yīng)的濾波器。部分傳感器需要根據(jù)安裝位置及其偏置量進(jìn)行校準(zhǔn)，如加速度計、陀螺儀以及磁力計等。在得到精度較高的傳感器數(shù)據(jù)后，需要設(shè)計對應(yīng)的融合算法，構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，用于解算飛行器的各狀態(tài)量，如姿態(tài)角、速度、位置等。所有狀態(tài)量如陀螺儀零偏、加速度零偏等，這些狀態(tài)量與設(shè)計的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān)?？刂葡到y(tǒng)與動力系統(tǒng)則是多旋翼無人機(jī)的“手足”。

2 災(zāi)害現(xiàn)場救援的應(yīng)用場景分析及多旋翼無人機(jī)救災(zāi)技術(shù)優(yōu)勢

從災(zāi)害現(xiàn)場救援場景分析可知，災(zāi)害發(fā)生后，如何做到迅速響應(yīng)，切斷危險源，保證人員和財產(chǎn)安全，并且提高救災(zāi)人員對災(zāi)害現(xiàn)場的掌控已經(jīng)成為救災(zāi)的關(guān)鍵工作。多旋翼無人機(jī)借助自身技術(shù)優(yōu)勢在很多場景下能夠充分發(fā)揮出良好的救災(zāi)效果。在無風(fēng)環(huán)境下，多旋翼無人機(jī)的控制時速水平飛行可達(dá)60 km/h以上，充分彌補(bǔ)了救援人員自身行動速度問題。無人機(jī)的最大起飛海拔高度可達(dá)5 000m以上，可以讓人們不必搭建通道即可到達(dá)高空等危險源，這無疑拓展了救災(zāi)人員的行動控制范圍。而且針對不同的應(yīng)用場景，可以定制開發(fā)出不同種類的無人機(jī)救援裝備，例如，專門用于探測生命體征的探測無人機(jī)、專門用于高溫場景下的耐高溫設(shè)備、專門用于執(zhí)行一定動作的無人機(jī)機(jī)器人等。在續(xù)航時間上，通常消費(fèi)級無人機(jī)最大飛行時間在無風(fēng)勻速飛行狀態(tài)下為0.5h左右。在一些復(fù)雜的災(zāi)害救援場景下，可以通過擴(kuò)展無人機(jī)電池容量來提高其續(xù)航時間和最遠(yuǎn)續(xù)航里程[2]。

3 提高救災(zāi)多旋翼無人機(jī)的技術(shù)可靠性

救災(zāi)無人機(jī)由于涉及更多惡劣工況，因此對無人機(jī)性能提出了更高的要求。無人機(jī)應(yīng)首先具有可靠的穩(wěn)定性，從多旋翼無人機(jī)技術(shù)架構(gòu)分析，由于多旋翼飛行器屬于靜不穩(wěn)定系統(tǒng)，脫離了控制系統(tǒng)，其自身不具備穩(wěn)定飛行的能力，這點(diǎn)與固定翼飛行器有非常大的區(qū)別。因此，需要先對災(zāi)害救援應(yīng)用的多旋翼飛行器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后得到其控制分配關(guān)系。用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述多旋翼飛行器的橫滾、俯仰、航向以及油門通道之間的耦合關(guān)系，只有準(zhǔn)確解析出該表達(dá)式，才能夠在各種飛行狀態(tài)下，發(fā)揮每個電機(jī)的最大潛能[3]。

對于無人機(jī)的故障診斷系統(tǒng)。由于其綜合了傳感器數(shù)據(jù)、導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對各子模塊進(jìn)行實時運(yùn)行狀態(tài)評估。它就如“醫(yī)生”一般，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至是故障的前兆時，故障診斷系統(tǒng)能夠及時或提前告知各子模塊，以至于各子模塊能夠及時調(diào)整算法策略，以適應(yīng)不同的飛行狀況。因此，在災(zāi)害救援現(xiàn)場所用的無人機(jī)應(yīng)具備完善的故障診斷能力，以此來應(yīng)對救災(zāi)作業(yè)過程中所發(fā)生的各種故障問題，確保不會造成次生災(zāi)害。另外，要進(jìn)一步加強(qiáng)無人機(jī)決策與規(guī)劃機(jī)制，無人機(jī)決策和規(guī)劃系統(tǒng)猶如多旋翼無人機(jī)的“大腦”，有了它多旋翼飛行器才能夠稱之為“空中機(jī)器人”。它掌握著多旋翼飛行器的任務(wù)執(zhí)行策略以及飛行路徑，當(dāng)多旋翼飛行器同時執(zhí)行多種救援飛行任務(wù)時，也需要它根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級以及資源調(diào)度的情況進(jìn)行實時地調(diào)整，以最高效的方式完成救援任務(wù)[4]。

4 多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害救援方面的發(fā)展方向

在災(zāi)害現(xiàn)場災(zāi)情探測方面，多旋翼無人機(jī)搭載的相機(jī)攝像能力更加強(qiáng)大、傳輸速度更快、清晰度更高。隨著5G通訊的推廣，最大分辨率可達(dá)4 000*3 000的照片或視頻拍攝，將在極短的延時下傳輸?shù)骄葹?zāi)中控臺。不僅如此，無人機(jī)搭載的高性能航拍相機(jī)能以每秒30幀拍攝4K視頻或每秒120幀拍攝1 080P全高清慢動作視頻，全新設(shè)計的鏡頭成像清晰銳利；先進(jìn)的多軸云臺可以消除飛行中的抖動和顛簸，讓相機(jī)在惡劣工況下和劇烈運(yùn)動中也能夠?qū)崟r捕捉到穩(wěn)定流暢的災(zāi)害現(xiàn)場影像，并保證飛行控制距離在無障礙物遮擋的條件下長距離高質(zhì)量傳輸圖像。

未來無人機(jī)的全新視覺下，視覺定位系統(tǒng)有效距離更遠(yuǎn)而且適用范圍更廣，可以使救援操作者在遠(yuǎn)離災(zāi)害現(xiàn)場或無GPS信號的環(huán)境下也能實現(xiàn)對救災(zāi)無人機(jī)的精準(zhǔn)懸停、穩(wěn)定飛行。無人機(jī)的環(huán)境感知與避障能力也會得到極大提升，前視障礙物感知系統(tǒng)集成先進(jìn)的傳感器與計算機(jī)視覺技術(shù)，可以讓多旋翼無人機(jī)具備更加智能的感知和主動避障能力，并且具備更加靈活的飛行控制模式。如在指點(diǎn)飛行模式下，點(diǎn)擊移動設(shè)備屏幕，就能精確朝向選擇的方向飛行，感知到障礙物時，會根據(jù)環(huán)境自動懸?；蚶@過障礙物，在鎖定救援目標(biāo)方面，無人機(jī)的視覺追蹤技術(shù)可以讓其自動識別和追蹤相機(jī)畫面中的拍攝對象，并將其鎖定在畫面中央。

5 總結(jié)

多旋翼無人機(jī)的技術(shù)構(gòu)成較為復(fù)雜，其涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，較為接近機(jī)器人的范疇。其多種技術(shù)優(yōu)勢決定了在災(zāi)害救援現(xiàn)場可以發(fā)揮出重要的使用價值，應(yīng)廣泛而科學(xué)地推廣應(yīng)用[5]。然而，相對于當(dāng)下災(zāi)害救援應(yīng)用的多旋翼無人機(jī)而言，其技術(shù)應(yīng)用依然處于基礎(chǔ)技術(shù)高速發(fā)展的階段，許多關(guān)鍵技術(shù)依然有待突破，在下一個無人機(jī)時代，多旋翼無人機(jī)技術(shù)與災(zāi)害救援業(yè)務(wù)的高度整合將會是無人機(jī)市場的爆發(fā)點(diǎn)。