基于多旋翼無人機在應(yīng)急救援中的應(yīng)用分析

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁市，458030） 徐 超

隨著微機電技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無人機讓自動控制器成為現(xiàn)實，實現(xiàn)了自主懸停。隨后歷經(jīng)幾代的發(fā)展，多旋翼無人機，不僅實現(xiàn)了垂直起降、空中懸停，而且操作靈活，適應(yīng)能力強，在應(yīng)急救援工作種發(fā)揮了重要作用，多旋翼無人機的應(yīng)用越來越廣泛，生產(chǎn)量不斷增加，逐步走近普通民眾視野，并伴隨著多旋翼無人機的不斷發(fā)展壯大，其價格越來越低，越來越平民化?；诖?，本文在探究多旋翼無人機工作原理的基礎(chǔ)上，分析多旋翼無人機在各類自然災(zāi)害救援中的應(yīng)用，為促進我國多旋翼無人機的進一步發(fā)展提供視覺。

1 多旋翼無人機的工作原理

1.1 多旋翼無人機懸停原理

多旋翼無人機是由三個以上的螺旋槳構(gòu)成的無人機，其中以四旋翼無人機最為常見。多旋翼無人機主要依賴螺旋槳旋轉(zhuǎn)起飛，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)升力達到飛機總重時，升力抵消重力，實現(xiàn)了飛行的懸停。但螺旋槳旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生反扭矩，導(dǎo)致電機反方向旋轉(zhuǎn)，為了消除反扭矩，需要在其水平方向上施加力，以此保持機身的平穩(wěn)。同樣四旋翼無人機飛行過程中，也會產(chǎn)生反扭矩，導(dǎo)致無人機的自旋，于是人們將四個螺旋槳分別向相反方向旋轉(zhuǎn)。如下圖1所示，M1、M3 逆時針旋轉(zhuǎn)，M2、M4順時針旋轉(zhuǎn)，無人機飛行過程中，兩對螺旋槳產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，保持飛行穩(wěn)定，除此之外，多旋翼無人機的垂直升降、左右飛行同樣是由螺旋槳的轉(zhuǎn)速控制的。

圖1 四旋翼無人機旋翼飛行示意圖

1.2 多旋翼無人機升降原理

無人機懸停穩(wěn)定后，需要升至一定的高度執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，此時螺旋槳旋轉(zhuǎn)加速，升力不斷增加，飛機上升，當(dāng)需要下降高度執(zhí)行任務(wù)時，此時螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度減慢，飛機升力減小，自然就會下降。整個過程，都需要多個旋翼保持相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，也就是所需要各電機產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)速，以此抵消反扭矩，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

1.3 多旋翼無人機水平移動原理

無人機原地旋轉(zhuǎn)時，人們可以借助反扭距，M2、M4 兩對電機旋轉(zhuǎn)速度加快，M1、M3 兩對電機的旋轉(zhuǎn)速度降低，此時飛機會逆時針旋轉(zhuǎn)。與我們平時乘坐的飛機不同的地方在于，多旋翼無人機沒有垂直于地面的螺旋槳，為此，不能產(chǎn)生水平方向上的力。為了實現(xiàn)水平方向的位移，M3、M4兩對旋翼轉(zhuǎn)速提升，M1、M2 兩對轉(zhuǎn)速下降，此時前部升力超過后部，飛機將會向前傾斜，傾斜側(cè)面圖如下圖2所示，此時旋翼產(chǎn)生的力一方面需要抵消飛機自身重量，另外還會產(chǎn)生水平方向上的力，使得無人機向前飛行。相反的，M3、M4 兩對旋翼轉(zhuǎn)速降低，M1、M2兩對轉(zhuǎn)速增加，飛機向后傾斜，使得無人機向后飛行。同樣的原理，M1、M4 加速，M2、M3 減速，無人機將向左飛行，M2、M3 加速，M1、M4 減速，無人機將向右飛行。

圖2 多旋翼無人機向前傾斜示意圖

2 多旋翼無人機在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

2.1 偵察監(jiān)測千里眼

多旋翼無人機整合多種測量設(shè)備，包括探測儀、傳感儀、遙感儀等，實現(xiàn)了通信、傳輸、感應(yīng)等多種功能，做到了無人機、平臺之間的無縫連接。首先，多旋翼無人機的適應(yīng)能力前，實現(xiàn)了不同空域的遠觀、近察，避免了傳統(tǒng)觀測中的死角、盲區(qū)，地震現(xiàn)場，多旋翼無人機可以實現(xiàn)多角度、多高度、多經(jīng)緯度的勘測，實時捕捉現(xiàn)場畫面，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時傳輸，為救援人員提供最新的災(zāi)害坐標(biāo)；其次，在高危環(huán)境下，多旋翼無人機的應(yīng)用，無視控制危險因素，克服生理極限，能夠第一時間準確的到達危險區(qū)域，如危險化學(xué)品區(qū)需要救援時，應(yīng)用各類無人機探測儀，對事故現(xiàn)場的危險化學(xué)品種類、危險程度等進行遠程勘測，更為重要的是，可以實現(xiàn)現(xiàn)場的細化。早在2015年天津港爆炸事件中，現(xiàn)場爆炸危險品釋放大量的有毒氣體，給救援工作帶來極大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的信息采集工作難以開展，無人機的應(yīng)用，全方位的獲取現(xiàn)場救援信息，實時掌握現(xiàn)場救援情況，為科學(xué)的指揮提供可靠的保障；獲取實時的動態(tài)數(shù)據(jù)，人工智能的應(yīng)用，實現(xiàn)了自動識別、人工預(yù)算的能力，而且遙測技術(shù)的應(yīng)用，能夠準確的感知現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，解決了現(xiàn)場救援何時進、何時救的難題。在實際的消防火災(zāi)現(xiàn)場，不確定因素眾多，借助遙感技術(shù)，實現(xiàn)全方位的無死角的實時監(jiān)控，能夠準確掌握消防火災(zāi)的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，為警戒巡查、險情監(jiān)控提供指導(dǎo)。

2.2 信息傳輸中繼站

首先，雖然衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，但存在傳輸延遲，而陸地通信需要部署，時間常且投入大，顯然這兩種通信方式都難以達到突發(fā)災(zāi)難地區(qū)快速通信的目的，通過多旋翼無人機組織部署通信中繼，能夠?qū)崿F(xiàn)快速通信的目的，而且控制靈活。一旦發(fā)生自然災(zāi)害等突發(fā)事件，地面設(shè)施設(shè)備難以介入，多旋翼無人機搭載通信站能夠第一事件到達災(zāi)區(qū)，并升空組網(wǎng)，形成區(qū)域無線網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)受災(zāi)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)，在地面設(shè)備介入前，保持持續(xù)的通信信號，成為了指揮部與救援現(xiàn)場的樞紐；其次，自然災(zāi)害突發(fā)性強，一旦發(fā)生地區(qū)位置偏遠、地形地勢環(huán)境復(fù)雜，信息鏈部暢通，很容易出現(xiàn)機動通信障礙，更為關(guān)鍵的是，常伴有多種次生災(zāi)害的發(fā)生，此時時間就是生命，任何的遲疑極有可能導(dǎo)致更為嚴重的災(zāi)情，給人們的生命財產(chǎn)安全造成不可挽回的損失，此時救援人員可借助多旋翼無人機開展組織機動，結(jié)合電子地圖，預(yù)設(shè)無人機飛行軌跡，借助其搭載的通信設(shè)備，形成機動通信中繼站，實現(xiàn)了信息的無縫傳輸，確保救援工作者能夠第一時間安全的到達救援災(zāi)區(qū)；最后，多旋翼無人機不僅覆蓋范圍廣，而且系統(tǒng)容量大，在實施救災(zāi)時，能夠有效的彌補衛(wèi)星通信死角，滿足不同地形、不同環(huán)境下緊急救援，尤其是在高海拔地區(qū)，救援通道很難第一時間開通，傳統(tǒng)的通信手段很難滿足應(yīng)急救援之所需，有研究通過構(gòu)建4G無人機高空基站，實現(xiàn)了救援站的信號覆蓋，實現(xiàn)了24h 不間斷的信號傳輸，為后續(xù)救援提供了應(yīng)急保障。

2.3 實現(xiàn)應(yīng)急救援的精準投放

與其他類型無人機相比較，多旋翼無人機精準投放適應(yīng)范圍更廣，投放的準度、速度都要高。早在2018年6月，某戰(zhàn)區(qū)空軍研習(xí)過程中，士兵就是通過多旋翼無人機進行定點投放，不僅速度快，而且準度高，得到了空軍指揮部的一致認同；其次，由多旋翼無人機所搭建的智能控制系統(tǒng)，能夠事前規(guī)劃好投放速度、位置、線路等，借助其內(nèi)置的高精度傳感設(shè)施設(shè)備，實現(xiàn)了機器視覺，進而達到無人機自動導(dǎo)航飛行、精準降落，一旦發(fā)生嚴重的自然災(zāi)害，地面設(shè)施設(shè)備完全被擊潰，地面通信、運輸癱瘓，救援補給困難，此時多旋翼無人機的應(yīng)用，實現(xiàn)了受災(zāi)中心地區(qū)緊急物資的供應(yīng)。早在2016年，我國偏遠地區(qū)就開始應(yīng)用無人機物流投遞，使得偏遠地區(qū)物流投放不再偏遠，實現(xiàn)了農(nóng)村地區(qū)村村投遞，讓邊遠地區(qū)的快遞投放科幻感十足，無人機投放前會有相應(yīng)的信息提醒，接到信息后，人們到達制定的地區(qū)，等待無人機的到達，無人機飛過來后，打開機身，就能看到全村的小郵件，整個流程簡單而快捷，與此同時，裝載不同類型血型的無人機穿梭于不同城市的上方，為急需血的醫(yī)院傳送相應(yīng)的血液，整個流程一般于15min內(nèi)完成，極大的提升了物流服務(wù)效率，也進一步提升了醫(yī)療救助的效率；最后，隨著多旋翼無人機運載技術(shù)的深入發(fā)展，多旋翼無人機的荷載救助能力得到了極大的提升，夜間掛載探測燈，照亮救助者前進的道路，掛載喊話系統(tǒng)，為受災(zāi)群眾提供安全信息，為救助人員提供可靠情報，掛載生命探測系統(tǒng)，能夠及時的發(fā)現(xiàn)生還者信息，為緊急營救提供保障，掛載投資系統(tǒng)，能夠精準投放相應(yīng)的醫(yī)療設(shè)施、設(shè)備及救援物資，為救助者提供物質(zhì)保障。

3 多旋翼無人機的實踐應(yīng)用

3.1 高速事故救援

高速公里交通事故中的應(yīng)用，高速公里屬于相對封閉區(qū)域，一旦發(fā)生事故，交通堵塞，交警、救護人員很難第一實踐達到救援現(xiàn)場，多旋翼無人機的應(yīng)用，實現(xiàn)了交警空中指揮，為現(xiàn)場受傷人員及時準確的輸送急救物資，為救護設(shè)備、救護人員開路。

3.2 地震救援

發(fā)生地震，道路封閉，災(zāi)區(qū)斷水、斷電，缺乏生存物資，多旋翼物流無人機的出動，可跨越危險路面，第一時間將救援物資送到災(zāi)區(qū)。早在2014年8月，云南魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震，云南測繪局借助四旋翼無人機，第一時間獲取局部地區(qū)信息數(shù)據(jù)，對災(zāi)區(qū)道路受損情況、居民受災(zāi)情況等數(shù)據(jù)進行采集，為當(dāng)?shù)鼐仍ぷ鞯倪M一步開展提供依據(jù)。與此同時，有研究者應(yīng)用多旋翼無人機，對魯?shù)榭h受災(zāi)建筑特點進行分析，研判其受災(zāi)情況，對震情的判斷、經(jīng)濟損失的預(yù)估起到了非常達的幫助。

3.3 災(zāi)區(qū)地理信息勘測

在發(fā)生山地滑坡、山體塌陷等自然災(zāi)害救援中，為準確研判災(zāi)情，防止災(zāi)情的進一步惡化，多旋翼無人機的應(yīng)用，能夠準確的對災(zāi)害現(xiàn)場進行攝影，并通過平臺出現(xiàn)，迅速形成災(zāi)區(qū)三維數(shù)據(jù)，預(yù)估災(zāi)區(qū)滑坡、坍塌情況，為后續(xù)的救援提供依據(jù)。早在2015年四川映秀到汶川路段發(fā)生山體滑坡，有研究采用六軸旋翼無人機，第一時間開展航測，獲取分辨率高達0.2m的影響資料，而且構(gòu)建了受災(zāi)地區(qū)三維場景圖。在官地電站大橋泥石流發(fā)生區(qū)域，由研究者應(yīng)用多旋翼無人機，不僅獲取了分辨率極高的遙測影像，與通過遙感技術(shù)建立地質(zhì)三維模型進行對比，吻合度極高。

4 結(jié)語

多旋翼無人機適應(yīng)能力強，操作靈活，可根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境，搭載多種系統(tǒng)，及時準確的獲取災(zāi)區(qū)信息數(shù)據(jù)，為進一步的營救提供指導(dǎo)性意見，除此之外，在面臨重大危險單體災(zāi)害時，應(yīng)用多旋翼無人機搭載傾斜云臺，能準確的獲取受災(zāi)區(qū)的三維影像，能夠提供單體災(zāi)害救援的精準度，在一定程度上，減少了救災(zāi)地區(qū)收據(jù)獲取難度及投入，為科學(xué)救援提供技術(shù)支持。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，為進一步滿足重大災(zāi)害應(yīng)急救援的需求，未來多旋翼無人機將朝著智能化、小型化方面不斷發(fā)展，同時，也會搭載更多的精密傳感器，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的智能化、自動化、高效處理和應(yīng)用。