海上救助無人機設(shè)計、功能及應(yīng)用

鄭 州 張啟行

一、前言

隨著我國航海事業(yè)蓬勃發(fā)展，海上救助力量不斷壯大，救助無人機以其快速性、高效率，必將成為未來海上救助的一大亮點，給海上人命救助帶來更多的生存時間和機會。但目前無人機在救助方面只是停留在海上航拍搜尋取證階段，如交通運輸部北海救助局的海上航拍無人機（見圖1），與實際人員救助轉(zhuǎn)移功能的實現(xiàn)存在很大差距。無人機所處環(huán)境惡劣，并存在風(fēng)險，所以對其性能要求極高，本文對無人機的相關(guān)技術(shù)進行分析。

圖1 海上無人機訓(xùn)練實圖

二、救助無人機系統(tǒng)設(shè)計分析

救助無人機硬件平臺搭建可采用靈活的模塊式嵌入，飛行結(jié)構(gòu)一般主要由八個部分構(gòu)成：電源單元、微控單元、姿態(tài)測量單元、高度測量單元、無線通信單元和執(zhí)行器單元、救助監(jiān)測單元、功能輔助單元。如圖2所示。電源單元采用能量密度大的三元鋰電池，可采購比亞迪公司的電池，并要求電池支持快充技術(shù)。救助監(jiān)測單元包括救生纜機與360°云臺攝像機。功能輔助單元有避障雷達、GPS、廣播、溫度傳感器、濕度傳感器、氣囊釋放裝置等。目標姿態(tài)通過無人機的無線通信單元輸入到微控單元，微控單元處理好的數(shù)據(jù)和命令傳到執(zhí)行模塊單元，接著通過電機驅(qū)動單元把信號傳遞給電機，然后轉(zhuǎn)到旋翼，旋翼的動作改變了無人機的飛行姿態(tài)，于是飛行姿態(tài)測量單元將相關(guān)信息傳給飛控單元進行姿態(tài)反饋，以便對目標姿態(tài)矯正對比[1]，如圖3所示。這樣就構(gòu)成一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。

三、救助無人機的功能性設(shè)計分析

1.防水功能

圖2 救助無人機系統(tǒng)硬件整體框圖

圖3 救助無人機控制系統(tǒng)示意圖

救助無人機工作在海上，防水功能是第一要素。在目前的無人機應(yīng)用中，有些產(chǎn)品的防水功能已經(jīng)比較成熟。如航拍無人機斯威普水手3（見圖4），其防水功能就比較先進。此款無人機不僅可以在水上起飛，還可以以任何姿態(tài)落水且不會沉沒。且其重心結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)良，無論以任何姿態(tài)飛行，失控時都會以旋翼朝上的姿態(tài)降落在水里，以等待系統(tǒng)恢復(fù)重新起飛。建議以此無人機防水設(shè)計理念為基礎(chǔ)，增配自動釋放氣囊裝置。具體而言，當無人機在失控墜落入水前，可以人為遙控或者根據(jù)重力加速度感應(yīng)裝置自動在無人機底部釋放氣囊，從而使無人機墜落時直接落在氣囊上。該氣囊的浮力要求不僅能夠支撐一個無人機的重量，還應(yīng)能支撐1～2個成年人的重量，這樣既可以避免救助過程中的二次傷害，還可以確保在救助過程中人員落水后可以攀爬到氣囊上以待更進一步的救援。其原理設(shè)計可以參考飛船返回艙降落在海上的相關(guān)技術(shù)。

圖4 斯威普水手3無人機

2.人員轉(zhuǎn)移功能

目前，無人機載重方面的技術(shù)也比較成熟。在軍事領(lǐng)域中，某國無人機可以搭載近500千克的導(dǎo)彈。挪威GRIFF公司推出一款無人機GRIFF300（見圖5），其續(xù)航時間在30～45分鐘，載重量達225千克，可以輕松地把2～3個成年人吊起飛行半個多小時。

圖5 GRIFF300無人機

螺旋槳升力公式為

其中：ρ為當前大氣密度，1 000米以下近似為1；d為螺旋槳的直徑；p為螺旋槳的螺距；l為螺旋槳的寬度；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，與電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)；Cr為螺旋槳的升力系數(shù)[2]。假設(shè)螺旋槳的直徑為1米,螺距為0.45米，螺旋槳寬度為0.1米，螺旋槳的轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/秒，升力系數(shù)為0.25，由式（1）可得一個螺旋槳的靜態(tài)升力為1×1×0.45×0.1×60×0.25=40.5千克。因此在理論上，設(shè)計四旋翼以上救助無人機的承載量為120千克是可行的。

對于救助無人機，人命救助能力是海上救助的核心能力之一。目前無人機在人命救助方面的功能還有巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。救助無人機在承載能力達標的前提下，可設(shè)計具備投送救助纜繩和轉(zhuǎn)移人員功能的放纜裝置（見圖6），這種放纜方式與救助直升機的絞車類似?？赏ㄟ^無人機測距然后人為遙控放纜，也可以自行一鍵放纜，無人機通過機載處理器計算出機身與甲板的高度后進行自動放纜，也可以通過調(diào)整自身的高度然后進行放纜以確保纜繩能與甲板接觸。具體工作原理如下：當無人機在空中穩(wěn)定懸停后，操作人員只要在遙控臺上按下一鍵放纜，無人機接收到該信號后，就可以通過救助監(jiān)測單元把自鎖解開，即把固定液壓桿向左抽出滾筒后，電機開始轉(zhuǎn)動放纜，無人機可以根據(jù)自身的高度進行放纜長度限定，當纜繩的鉤頭掛上被救人員的身體后，固定液壓桿向右伸進纜繩滾筒到右邊插孔，右邊的插孔液壓桿接近傳感器接收到液壓桿固定自鎖的信號后，把準備信號發(fā)給母船的操作臺，以便操作人員對無人機進行返航飛行操作。當被救人員轉(zhuǎn)到救助船上后，操作人員可進行收攬操作，在無人機接收到收攬操作信號后，無人機的固定液壓桿又會向左抽出滾筒，然后電機旋轉(zhuǎn)，進行收攬工作。這里的液壓桿是為了固定纜繩滾筒在受重力的情況下不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以確保被救人員的生命安全。

3.視頻實時傳輸功能

救助無人機一項關(guān)鍵的技術(shù)是視頻實時傳輸功能，這將為制訂海上險情應(yīng)急處置措施提供有力的參考依據(jù)。視頻實時傳輸技術(shù)要求較高，主要是因為待傳視頻圖像數(shù)據(jù)率高，而數(shù)據(jù)的相關(guān)性及壓縮率極低，且信道復(fù)雜，因此要求圖像壓縮算法簡單、易實現(xiàn)。同時，海上救助中區(qū)域電子環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾嚴重，因此要求通信系統(tǒng)輻射功率低，頻譜利用率高，系統(tǒng)設(shè)計簡單、可靠、輕巧，尤其是機載部分。在信源編碼上采用IWT和SPIHT編碼算法，其算法壓縮率高，可累進傳輸且對信道具有良好的抗噪性能和魯棒性。傳輸體制采用級聯(lián)RS-TCM和OFDM，頻譜利用率高且不會因為介入噪聲或干擾而使性能受損。最后在系統(tǒng)上利用頻分復(fù)用技術(shù)，以提高抗多徑、抗回波性能[3]。另外，航拍相機的技術(shù)要求也較高。一般海上夜間救助很多，因此攝像機最好具備紅外攝像功能，在夜晚也能看清難船及遇險人員情況，尤其對于監(jiān)測發(fā)生火災(zāi)船舶的熱量分布情況非常實用。相關(guān)技術(shù)可以參考國內(nèi)的大疆無人機。目前大疆公司研發(fā)的無人機Inspire 2（見圖7），其圖像傳輸距離為7千米，且其云臺技術(shù)較為穩(wěn)定可靠，可以滿足海上救助航拍要求。

圖7 大疆無人機Inspire 2

4.自動避障功能

自動避障功能[4]是救助無人機應(yīng)該具備的功能。海上救助環(huán)境復(fù)雜，特別是當救助船舶發(fā)生火災(zāi)時，滾滾濃煙將影響攝像頭的清晰度，甚至在濃煙中很難辨別方向，使無人機撞上船體，造成無人機受損。無人機避障傳感器繁多，筆者建議采用雷達波傳感器，因為雷達波受煙霧干擾較小，可安裝在無人機的各個方向上，一般是機身的四周和上下部位。而且雷達波的另一個優(yōu)勢是可以對障礙物進行測距，以免螺旋槳碰到障礙物。

5.一鍵起降功能

無人機的起步飛行和方向控制一直是人工操作的難點，因此無人機操作人員需進行相關(guān)培訓(xùn)。如今智能化操作技術(shù)可以解決此項難題?，F(xiàn)在的無人機可以進行一鍵起降，如大疆無人機Inspire 2，該無人機通過姿態(tài)控制和相關(guān)算法，可以實現(xiàn)“定高度”的起飛和空中懸停。這樣便可以增強無人機的操作便捷性，人員只需了解設(shè)備功能性操作便可自行操作。

6.自動返航功能

無人機還需增加自動返航功能，該功能可以在需要緊急撤離時、無人機低電量和無線信號失傳等情況下應(yīng)用。這一智能化功能已經(jīng)相對成熟，通過3D成像掃描和記錄軌跡來實現(xiàn)[5]。一般智能化程度較高的無人機都具備此功能，可為海上救援增加便利性。

7.定點跟蹤巡航功能

該功能作用是通過對目標的鎖定進行360°的自動跟蹤航拍，這樣不僅可以減少人為誤操作和人力投入，而且航拍的視頻更穩(wěn)定清晰[6]。該技術(shù)也可以參考大疆無人機Inspire 2。

8.電池低電量提示和無人機語音通話廣播功能

電池低電量提示為無人機的基本功能，并需附上可續(xù)航里程和時間?？稍O(shè)置在電量低于20%時進行提示是否自動返航，或在電量低至10%時自動強行返航。該功能可以結(jié)合上述第六點功能。語音通話廣播功能是指母船可以通過WiFi對難船進行交流以便了解難船情況，也可以對難船發(fā)出廣播，以安撫難船的人員。該技術(shù)可以結(jié)合前面的視頻直播功能。

四、救助無人機的應(yīng)用分析

1.搜救定位

搜救定位是無人機的基本功能。無人機自帶的全景相機和紅外感應(yīng)可實現(xiàn)夜間搜尋，還可通過自帶的GPS和北斗導(dǎo)航，對搜救的船舶和人員進行目標鎖定，并通過無線信號把三維的目標位置發(fā)給救助船舶和指揮中心。

2.物資轉(zhuǎn)運

物資轉(zhuǎn)運是救助無人機的必備功能。該功能源于無人機的載重能力，而且如上所述救助無人機可以實現(xiàn)120千克的載重能力。且對承載的貨物品種無任何要求，如水、糧食、醫(yī)藥用品等，大大提高了被救人員的存活率。

3.人員轉(zhuǎn)移

在必要的條件下可以對人員進行快速轉(zhuǎn)移，且對被救人員要求較低。被救人員只需要身穿救生衣或使用腰帶，把無人機纜繩的掛鉤掛到自己的救生衣或腰帶上就可以進行。除了可以對難船的人員進行轉(zhuǎn)移，也可以對落水人員進行救助轉(zhuǎn)移。此外，救助無人機可以對難船放纜位置做出及時調(diào)整，方便被救人員上鉤，轉(zhuǎn)移人員速度快，大大提高了救助效率，縮短了救助時間。

4.纜繩拖帶

目前船舶相互拖帶主要采用傳統(tǒng)的人工拋纜方式，這要求拋纜的水手臂力強勁且拋纜技術(shù)過硬。因為拋纜易受天氣影響，如果海上存在大風(fēng)，就很難準確地把纜繩拋到對方船舶上，因而會耽誤海上救援。此時可以利用救助無人機帶纜到對方船舶上，在第一時間對難船進行拖帶救助，避免造成不必要的損失。

5.對難船實時跟蹤報道

跟蹤報道的應(yīng)用源于救助無人機定點跟蹤巡航功能和無線視頻實時傳輸技術(shù)。無人機可以對難船進行360°全景錄像并且同步傳輸，以便救助指揮人員全面查看事故海域的難船情況，快速制訂救援方案，為救援爭取有利時機。

6.與難船人員進行實時溝通

當難船通信設(shè)備故障與救助船舶失去聯(lián)系時，救助無人機可以當做視頻電話用。利用無人機可以與難船保持溝通，了解難船人員物資等情況，并及時拍攝記錄事故船舶的狀況。救助無人機還可以搭載廣播功能，在救援現(xiàn)場起到安撫被救人員情緒的作用，以達到高效的救援效果。

五、救助無人機的海上應(yīng)急救助效能

1.保障救助人員生命安全

救助無人機為空中機器人，在某些情況下可以替代救助人員，特別是在高危海域或不適合人員出動的情況下，如發(fā)生火災(zāi)的油輪、溢油海面、懸崖、沙漠、沼澤地等。救助無人機可以實現(xiàn)快速的空對地救援，大大保障了救助人員的生命安全，降低了救助成本。

2.擴大搜救范圍和減少搜救時間

救助無人機結(jié)合救助船舶實現(xiàn)?？找惑w化救援，可以有效擴大救助半徑。救助無人機一般設(shè)計均速為5米/秒，續(xù)航時間為30分鐘，續(xù)航里程為9 000米。以救助船舶為初始點，可以為一定范圍內(nèi)的搜尋救助工作提供強有力支持。且救助無人機的結(jié)構(gòu)相對簡單，質(zhì)量相對輕便，配合救助船舶使用，將使搜救距離縮短一半以上。在我國每個固定海域就有一艘救助船舶拋錨在海上時刻等待救援任務(wù)。以我國北部海域為例，有12艘救助船舶分布在各個事故多發(fā)的海域，特別是高危海域附近都布有救助船舶時刻動態(tài)待命。當海上發(fā)生事故，附近的救助船舶可以立即出發(fā)救援，同時結(jié)合救助無人機在可飛行范圍內(nèi)，可以提前勘察情況，把救援距離縮小到十幾海里甚至是幾海里，這將大大降低救助成本消耗，同時縮短救助時間。

3.降低救助的經(jīng)濟成本

傳統(tǒng)的海上救助方式一般是直升機或者救助船舶去往救助海域。以救助直升機而言，每出動一次救援，單論燃油消耗就是一筆極大的資金投入，載人數(shù)量為5人的小型直升機一小時的耗油量約為3 000元，如難船出事地距離岸邊幾十海里，直升機從陸地出發(fā)來回平均時間為3個小時，其燃油費高達上萬元[7]。而無人機只需要對其進行充電，消耗的是成本低廉的電能。參照新能源汽車可知，以比亞迪公司的純電動汽車元EV為例，該汽車電池容量為42千瓦小時，其續(xù)航里程達305千米。

六、救助無人機研發(fā)的技術(shù)難點分析

1.抗風(fēng)浪能力

海上環(huán)境惡劣，一般在海難發(fā)生時會伴隨著大風(fēng)大浪，因此救助無人機的穩(wěn)定性要求須比一般陸地上的飛行器高，而且海上的風(fēng)向是隨時可變的，這就需要無人機姿態(tài)控制算法快速精確，能及時感知自身擺動角度，并作出及時矯正，具體設(shè)計還需要通過實際的測試來進行評估。

2.電池續(xù)航能力

海上救援時間緊迫，要求無人機有足夠的電能支撐，因此對無人機的續(xù)航能力要求較高，這就需要能量密度大且穩(wěn)定性好的鋰電池。根據(jù)以往的救助經(jīng)驗，要求無人機在滿載且最大的水平飛行速度情況下續(xù)航時間至少為30分鐘，而且這只是一套電池續(xù)航能力。在電池設(shè)計方面，可以增加電池快速更換和快充功能。具體而言，當?shù)谝惶纂姵仉娏康蜁r，可以快速更換第二套電池，而且要求在第二套電池即將用盡時，第一套電池充電量要達到80%以上。該技術(shù)可以參考純電動汽車。

3.載重飛行能力

目前市面上的無人機大都是用作航拍，體積小，重量輕。而救助無人機則需要救人或攜帶投送引纜，載重能力至少在120千克以上，也就是在風(fēng)浪天至少能夠搭載1～2個成年人。這要求無人機旋翼電機輸出扭矩大，轉(zhuǎn)速高，螺旋槳剛性也要強。因此在材料的選擇上應(yīng)充分考慮。

七、結(jié)論

綜上所述，救助無人機應(yīng)用前景廣闊，潛力巨大。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷完善，以及無人機在民用領(lǐng)域的不斷深入拓展，文中所述救助無人機的技術(shù)難點必然可以攻克，相關(guān)功能的實現(xiàn)指日可待。