多旋翼無(wú)人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援中的應(yīng)用

楊薇霖 周巍

摘? 要：災(zāi)害事故救援活動(dòng)中搶救生命是首要任務(wù)，但復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境給搜救工作帶來(lái)阻礙，多旋翼無(wú)人機(jī)作為新型智能救援產(chǎn)品，具有技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，搭載各種傳感器后具有災(zāi)情航拍、生命探測(cè)、運(yùn)送物資等救援能力，是前景廣闊的航空救援力量。

關(guān)鍵詞：多旋翼無(wú)人機(jī);生命探測(cè);應(yīng)急救援;傳感器

中圖分類號(hào)：V19 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0179-02

Abstract： Saving lives is the primary task in disaster and accident rescue activities， but the complex on-site environment hinders the search and rescue work. As a new type of intelligent rescue products， multi-rotor UAV has the advantages of advanced technology， simple operation and low cost. Equipped with a variety of sensors with disaster aerial photography， life detection， delivery of materials and other rescue capabilities， this product is a promising force for aviation rescue.

Keywords： multi-rotor UAV; life detection; emergency rescue; sensor

引言

我國(guó)是一個(gè)多災(zāi)害國(guó)家，地震、泥石流、山體滑坡、建筑倒塌等災(zāi)害事件時(shí)常發(fā)生。災(zāi)害發(fā)生后的72小時(shí)，發(fā)現(xiàn)掩埋下的幸存者并及時(shí)救出幸存者是救援人員面臨的重大挑戰(zhàn)。但現(xiàn)實(shí)搜救中，救援工作面臨重重困難：災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)交通、通訊中斷，地形復(fù)雜，救援部隊(duì)無(wú)法第一時(shí)間到達(dá)重災(zāi)區(qū)域，未能及時(shí)掌握前線第一手資料;傳統(tǒng)救援以搜救員、搜救犬為主力，輔以生命探測(cè)儀等工具搜索幸存者信息，受生理極限影響搜救區(qū)域未能迅速大面積鋪開(kāi);災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)裸露尖銳建筑物、鋼筋及松動(dòng)建筑物板塊造成的安全隱患較多，易對(duì)救援人員及幸存者造成傷害。

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”（“UAV”），是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，可實(shí)現(xiàn)操手遠(yuǎn)程控制或由機(jī)載計(jì)算機(jī)自主控制。無(wú)人機(jī)分為固定機(jī)翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)，最早多用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、定位校射等軍事任務(wù)。隨著新技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)逐漸應(yīng)用到民用領(lǐng)域，尤其是多旋翼無(wú)人機(jī)以其起降不需要專門場(chǎng)地、體積小、操作簡(jiǎn)單，搭載多種新型傳感器便能勝任惡劣、復(fù)雜、高危環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，逐漸投入到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援的應(yīng)用中。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)的工作原理及優(yōu)勢(shì)

多旋翼無(wú)人機(jī)，是一種具有三個(gè)及以上旋翼軸的特殊的無(wú)人駕駛飛行器，通過(guò)各軸上的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋翼，從而產(chǎn)生升推力。多旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小巧靈活，造價(jià)成本低，操縱上可實(shí)現(xiàn)垂直起降、穩(wěn)速懸停，飛行范圍可控，對(duì)起降場(chǎng)地和跑道無(wú)限制，在復(fù)雜環(huán)境中還能實(shí)現(xiàn)低空飛行又不用考慮駕駛?cè)说陌踩珕?wèn)題。多旋翼無(wú)人機(jī)可搭載各種用途的傳感器，變成針對(duì)性的實(shí)用智能工具。如搭載高清航拍攝像頭，通過(guò)搖桿控制調(diào)節(jié)拍攝角度和距離，可以實(shí)時(shí)獲取圖像、聲音數(shù)據(jù);搭載多用途傳感器，實(shí)現(xiàn)獲取信息途徑的智能化，變身行業(yè)化應(yīng)用工具。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

2.1 航拍災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)形成圖像分析

地震、泥石流、山體滑坡等大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)復(fù)雜，交通中斷，救援隊(duì)伍第一時(shí)間靠人力往往難以全面收集災(zāi)況信息，無(wú)法為全方位的救災(zāi)部署提供依據(jù)。掌握災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)具體的受災(zāi)程度，迅速打通生命通道是亟待解決的問(wèn)題。多旋翼無(wú)人機(jī)搭載高清航拍攝像頭后，可以趕在救援部隊(duì)到達(dá)之前就開(kāi)展高空偵查活動(dòng)，通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控，及時(shí)傳回清晰的圖像、聲音數(shù)據(jù)。通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍處理后生成的圖像分析，后臺(tái)指揮部可以根據(jù)受災(zāi)輕重區(qū)域做出人員調(diào)配、物資調(diào)度、救援路線的規(guī)劃，為科學(xué)救援提供精準(zhǔn)方案。

如災(zāi)情評(píng)估嚴(yán)重，為做好長(zhǎng)線救援規(guī)劃，還可利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的三維分析模型。目前多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有了很大突破，通過(guò)在無(wú)人機(jī)同一飛行平臺(tái)搭載多個(gè)高分辨率鏡頭，完成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域布點(diǎn)的垂直、傾斜多個(gè)角度大規(guī)模影像收集，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取影像數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、處理、合成，最后形成逼真的災(zāi)區(qū)三維模型，為災(zāi)情研判和災(zāi)后重建工作提供更有力的支撐。

2008年汶川大地震后災(zāi)區(qū)通信中斷，中科院研究隊(duì)伍率先嘗試將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到震中災(zāi)區(qū)航拍，及時(shí)獲取封閉地區(qū)高精度的災(zāi)情信息。后來(lái)的玉樹(shù)、蘆山、魯?shù)榈卣?，無(wú)人機(jī)在搶險(xiǎn)救災(zāi)中均有重要的應(yīng)用，未來(lái)無(wú)人機(jī)將是應(yīng)急救援中不可或缺的高科技力量。

2.2 巡航探測(cè)生命跡象

發(fā)現(xiàn)生命跡象及時(shí)搶救幸存者是救援工作的首要目標(biāo)，生命探測(cè)儀是目前認(rèn)為有效且廣泛地用于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)搜索生命的救援工具。常見(jiàn)的生命探測(cè)儀有聲波振動(dòng)探測(cè)儀、紅外生命探測(cè)儀、雷達(dá)生命探測(cè)儀等。傳統(tǒng)搜救模式是救援人員攜帶生命探測(cè)儀近距離接觸災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援工作，救援人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且復(fù)雜、高危的地形對(duì)救援人員的行動(dòng)造成一定的安全隱患。無(wú)人機(jī)搭載生命探測(cè)儀通過(guò)電池補(bǔ)給、多機(jī)替換巡查，行動(dòng)速度快，搶救效率高，還能保障救援人員的人身安全。

（1）多旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外生命探測(cè)儀。紅外生命探測(cè)儀是常用的生命探測(cè)儀，主要依據(jù)感知溫度的差異來(lái)區(qū)分搜索目標(biāo)。任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體都能產(chǎn)生紅外輻射，人體作為天然的紅外輻射源，其恒溫的特性使其發(fā)射出的紅外波段具有固定的范圍值，約在3-50μm波段，其中46%的人體輻射能量集中在8-14μm波段。紅外生命探測(cè)儀的核心部件由能檢測(cè)這個(gè)特殊波段的紅外光電傳感器構(gòu)成，如果找到這個(gè)范圍的紅外線，意味著該區(qū)域存在幸存者的可能性很大。紅外生命探測(cè)儀還具有夜視功能，不受黑夜、霧霾、濃煙環(huán)境的影響。搜救人員能力有限的情況下，使用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外生命探測(cè)儀進(jìn)行生命搜索，能隨時(shí)深入能見(jiàn)度低的環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，既能與死神爭(zhēng)奪黃金救援的每分每秒，又能提高對(duì)幸存目標(biāo)的區(qū)域定位，為下一步開(kāi)展救援提供方向。

（2）多旋翼無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)生命探測(cè)儀。雷達(dá)生命探測(cè)儀是利用多普勒效應(yīng)來(lái)探測(cè)生命信息的救援工具，利用電磁波穿透建筑廢墟等遮擋介質(zhì)對(duì)一定近空間進(jìn)行掃描，接收器接收反射回來(lái)的信號(hào)并進(jìn)行智能分析，人體存在呼吸、心跳、移動(dòng)等微小變化就能被靈敏識(shí)別出來(lái)，再經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算對(duì)幸存者精準(zhǔn)定位。雷達(dá)生命探測(cè)儀不受遮擋物的影響，穿透力強(qiáng)，抗干擾性能好，非常適用于地震、坍塌、建筑物倒塌下的生命救援，是目前最有效最具潛力的生命探測(cè)儀。

雷達(dá)生命探測(cè)儀在復(fù)雜災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)通常劃分區(qū)域進(jìn)行搜索，為達(dá)到良好的工作效果，需盡可能地清除劃分區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)人員，以減少外界帶來(lái)的干擾。經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)飛行的“全局布網(wǎng)”和“二次排查”，計(jì)算機(jī)仿真軟件及時(shí)捕捉多旋翼無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)生命探測(cè)儀工作的區(qū)域及探測(cè)信息，能夠多方位探測(cè)幸存者的準(zhǔn)確位置，提高了探測(cè)精度和搜索速度。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援中需要提高的技術(shù)問(wèn)題

多旋翼無(wú)人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援的優(yōu)勢(shì)很多，但也存在一些需要繼續(xù)研究改進(jìn)的問(wèn)題：

3.1 多旋翼無(wú)人機(jī)的載重能力

多旋翼無(wú)人機(jī)的載重能力有限，搭載傳感器等設(shè)備的最大重量在5-10kg左右。多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援中需要搭載的傳感器越來(lái)越集成化，為了保證“搭配”工作的穩(wěn)定性，對(duì)無(wú)人機(jī)的載重能力要求越來(lái)越高。無(wú)人機(jī)制造商開(kāi)始研究采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)生產(chǎn)無(wú)人機(jī)機(jī)殼，與原來(lái)的金屬材料機(jī)殼相比能達(dá)到35%-50%的減重幅度，從而為無(wú)人機(jī)提高載重能力帶來(lái)提升空間。

3.2 多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力

目前我國(guó)無(wú)人機(jī)主要使用鋰聚合物電池供電，續(xù)航能力在30-50分鐘之間，充電超過(guò)60分鐘。如果攜帶一定重量的傳感器飛行，續(xù)航能力會(huì)明顯下降，延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力是拓展無(wú)人機(jī)發(fā)展前景的門檻。尋找更加持久耐用的電池能源成為亟待攻克的技術(shù)難題，科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)嘗試開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)的氫燃料電池、太陽(yáng)能電池，并研發(fā)新的充電模式提升無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。2018年西雅圖WiBotic公司為大疆商用無(wú)人機(jī)推出了一種無(wú)線電源系統(tǒng)，用戶十分鐘內(nèi)就能安裝好系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電，便捷實(shí)用。這項(xiàng)研發(fā)為無(wú)人機(jī)創(chuàng)新持續(xù)續(xù)航能力帶來(lái)了新思路。

3.3 無(wú)人機(jī)操手技能水平的提高

多旋翼無(wú)人機(jī)可通過(guò)人為操控和系統(tǒng)自動(dòng)操控，人為操控要求操手專業(yè)技能熟練，反應(yīng)迅速，同時(shí)具有嚴(yán)謹(jǐn)操作的職業(yè)道德;系統(tǒng)操控要求操手熟識(shí)指令操作，無(wú)人機(jī)出現(xiàn)飛行偏移、失控時(shí)能及時(shí)排查系統(tǒng)故障。操手就是多旋翼無(wú)人機(jī)的后方指揮官，還需具有航拍、測(cè)繪、救援技能等綜合行業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備。高級(jí)無(wú)人機(jī)操手的培養(yǎng)也是無(wú)人機(jī)前景發(fā)展需要的研究方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援中具有巨大的潛力，多次搶險(xiǎn)救災(zāi)中已經(jīng)有評(píng)價(jià)頗高的優(yōu)異表現(xiàn)。隨著多旋翼無(wú)人機(jī)載重、續(xù)航等短板問(wèn)題的攻克，與各類新型專用傳感器智能化結(jié)合，多旋翼無(wú)人機(jī)勢(shì)必是未來(lái)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)航空救援的主力軍。

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