城市突發(fā)性公共事件中多無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：城市中的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益密集，雖然便利了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常的生產(chǎn)生活，然而也給城市公共安全、市政、交通等造成了一定的安全隱患和脆弱性。城市突發(fā)各類公共事件的過(guò)程中，應(yīng)該采取無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)的方式，及時(shí)發(fā)出相關(guān)的預(yù)警信息。文章重點(diǎn)分析了城市突發(fā)性公共事件中多無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：城市突發(fā)性公共事件;多無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè);關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)在監(jiān)測(cè)和處理各類突發(fā)性公共事件時(shí)，主要發(fā)揮了下列作用：首先它能夠快速響應(yīng)，及時(shí)到達(dá)公共事件的發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)進(jìn)行作業(yè)。其次，它能夠充分而完整地采集現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，向指揮中心傳輸現(xiàn)場(chǎng)的各種音頻、視頻、文字和圖像等各類信息，讓指揮者做出正確的決策和判斷。第三，它可以發(fā)揮自身的通信中繼功能，及時(shí)恢復(fù)公共事件發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的局部性通信環(huán)境。第四，對(duì)事件的具體發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行跟蹤，協(xié)助指揮中心持續(xù)地處理指揮公共事件的相關(guān)問(wèn)題。第五，它能夠參與到災(zāi)后重建過(guò)程中，為其提供氣象、地理、人口分布等多方面的信息。

1 研究思路以及研究?jī)?nèi)容

本課題把景德鎮(zhèn)學(xué)院之前研發(fā)出來(lái)的2-3架某型旋翼無(wú)人機(jī)當(dāng)作科研平臺(tái)，全方面采取嵌入式電腦技術(shù)以及數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)以及GPS設(shè)計(jì)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)。充分地發(fā)揮電腦視覺處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)在線感知多無(wú)人機(jī)的飛行環(huán)境狀態(tài)，多無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中自主規(guī)劃協(xié)同航跡，獨(dú)立地執(zhí)行飛行任務(wù)，安排多無(wú)人機(jī)針對(duì)火災(zāi)以及突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)，開展全方位的自主飛行試驗(yàn)，以使多無(wú)人機(jī)在面臨復(fù)雜的城市環(huán)境下，做好協(xié)同應(yīng)急事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)、救援、指揮等多種任務(wù)。

本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容如下所示。首先，筆者采取了多無(wú)人機(jī)協(xié)同災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)飛行控制策略，本課題的相關(guān)研究采用了景德鎮(zhèn)學(xué)院研發(fā)的某型旋翼無(wú)人機(jī)，建立以及設(shè)計(jì)多無(wú)人機(jī)旋翼式協(xié)作平臺(tái)，設(shè)計(jì)了針對(duì)性的研制飛行控制電腦系統(tǒng)，建立了機(jī)載多傳感器系統(tǒng)，組建了地面站系統(tǒng)，采取了協(xié)同飛行控制策略。其次，使用多無(wú)人機(jī)，研究了協(xié)同災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的相關(guān)任務(wù)分配技術(shù)。它在協(xié)同災(zāi)害應(yīng)急救援的過(guò)程中，最核心的任務(wù)是跟蹤以及監(jiān)測(cè)突發(fā)事件中的相關(guān)環(huán)境。從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，多無(wú)人機(jī)要組織自己的隊(duì)形，從而達(dá)到上述監(jiān)測(cè)目標(biāo)。分析了協(xié)同任務(wù)分配決策的相關(guān)算法，協(xié)同報(bào)警確認(rèn)技術(shù)以及協(xié)同探測(cè)算法。再次，在多無(wú)人機(jī)協(xié)同平臺(tái)上，使用多無(wú)人機(jī)，開展了驗(yàn)證了協(xié)同災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。借助多無(wú)人機(jī)協(xié)同探測(cè)技術(shù)，演示和驗(yàn)證了應(yīng)急救助、監(jiān)測(cè)地震、火災(zāi)等各類突發(fā)事件的實(shí)驗(yàn)。

2 多無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)

從城市的復(fù)雜環(huán)境來(lái)看，單架無(wú)人機(jī)平臺(tái)只能發(fā)揮非常小的效能，結(jié)合突發(fā)公共災(zāi)害的應(yīng)急指揮以及監(jiān)測(cè)，單個(gè)無(wú)人機(jī)根本無(wú)法持續(xù)地檢測(cè)大面積的區(qū)域。單架無(wú)人機(jī)本身掛載的傳感器缺乏良好的性能，一般情況下只能得到有限范圍的相關(guān)目標(biāo)信息。和單架無(wú)人機(jī)相比，多無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，優(yōu)勢(shì)是非常顯著的。它可以從整體上強(qiáng)化無(wú)人機(jī)的配合，進(jìn)而增強(qiáng)它完成監(jiān)測(cè)任務(wù)的水平和質(zhì)量。其次，它能夠共享各自的信息以及資源，提升執(zhí)行任務(wù)的水平和能力。第三，多無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，可以壓縮完成任務(wù)所需要的時(shí)間，提升執(zhí)行任務(wù)的實(shí)效性。第四，在某架無(wú)人機(jī)發(fā)生故障的情況下，能夠重新分配監(jiān)測(cè)任務(wù)，提升了任務(wù)成功的可能性。

3 自主任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行中，應(yīng)該具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)在線重新規(guī)劃以及規(guī)劃的能力，如此以來(lái)它才可以更有力地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市環(huán)境。這也是多無(wú)人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)務(wù)必要具有的性能，事實(shí)上它是多無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行過(guò)程中必不可少的決策過(guò)程。

系統(tǒng)應(yīng)該按照在線探測(cè)到的城市空中環(huán)境的具體變化，近乎實(shí)時(shí)或者實(shí)時(shí)地進(jìn)行修改、規(guī)劃、決策系統(tǒng)的相關(guān)目標(biāo)以及任務(wù)，獨(dú)立地生成能夠完成目標(biāo)的相關(guān)飛行軌跡，按照可行性較強(qiáng)的飛行軌跡和當(dāng)前飛機(jī)的具體狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)度以及制導(dǎo)指令，對(duì)飛機(jī)精確跟蹤產(chǎn)生的軌跡進(jìn)行控制，以完成自主決策系統(tǒng)規(guī)定的非性任務(wù)。

4 多無(wú)人機(jī)協(xié)同區(qū)域監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

本課題的主要背景是城市復(fù)雜化的客觀化環(huán)境下，以多無(wú)人機(jī)對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測(cè)問(wèn)題為目標(biāo)，在融合多源圖像信息的情況下，把協(xié)同搜索策略引入到模糊聚類方法中，設(shè)計(jì)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索策略以模糊聚類基礎(chǔ)。這種協(xié)同搜索策略是以空間分解以及空間縮減為基礎(chǔ)，它的主要思想是，在多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜索方面引入模糊數(shù)學(xué)，把目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)單元格以空間位置以及關(guān)聯(lián)壽命作為相應(yīng)的特征矢量，在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的聚類劃分，它削減了無(wú)人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù)，壓縮了搜索代價(jià)的無(wú)功消耗，搜索性能得以提升。

5 旋翼式多無(wú)人機(jī)城市復(fù)雜環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

本項(xiàng)目也利用多無(wú)人機(jī)，針對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境下發(fā)生突發(fā)事件的情況，安排無(wú)人機(jī)進(jìn)行自主飛行試驗(yàn)，以進(jìn)行應(yīng)急性監(jiān)測(cè)。

課題組采取了多無(wú)人機(jī)攜帶攝像機(jī)以及照相機(jī)，開展相應(yīng)的航空攝影，采集相關(guān)的環(huán)境圖像，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控地面環(huán)境，借助現(xiàn)代圖像處理技術(shù)，跟蹤以定位突發(fā)事件的具體發(fā)展態(tài)勢(shì)。其次，可以采取多無(wú)人機(jī)中的攝像頭、環(huán)境傳感器化學(xué)物品檢測(cè)儀以及可燃?xì)怏w傳感器等，探查突發(fā)事件環(huán)境區(qū)域的環(huán)境參數(shù)、地形、特定化學(xué)氣體的濃度以及可燃?xì)怏w濃度等，而且能夠回傳相關(guān)數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：肖祖銘（1978-），男，漢族，江西萬(wàn)安人，碩士，副教授，研究方向：電子、通信。