基于六旋翼無人機的智能防控系統(tǒng)總體設(shè)計

王志剛 馬嘯飛 孟志

摘要：針對復(fù)雜環(huán)境下倉庫智能管理的需求，探索新型的倉庫管理方式來改進或取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)管理方式成為必要。本文以六旋翼無人機為平臺，對倉庫智能防控系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，提出總體系統(tǒng)方案，利用數(shù)學(xué)模型對六旋翼無人機動力系統(tǒng)進行性能分析，設(shè)計逆向求解最優(yōu)配置算法，并提出可供參考的實物和參數(shù)建議。

Abstract： To meet the needs of intelligent warehouse management in complex environments， it is necessary to explore new warehouse management methods to improve or replace the existing traditional management methods. In this paper， the six-rotor UAV is used as a platform for the overall design of the warehouse intelligent prevention and control system， and the overall system plan is proposed. The mathematical model is used to analyze the performance of the six-rotor UAV power system， the optimal configuration algorithm for reverse solution is designed， and the suggestions for real objects and parameters are put forward for reference.

關(guān)鍵詞：智能防控;六旋翼無人機;系統(tǒng);模型

Key words： intelligent prevention and control;six-rotor UAV;system;model

中圖分類號：V279????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0200-05

0? 引言

目前倉庫安防手段主要是定點監(jiān)控和人員巡邏，隨著定點監(jiān)控的智能化越來越高，在一定程度上減少了人員巡邏的壓力，但對于較大倉庫，仍然存在一些問題：①定點監(jiān)控位置相對較為固定，監(jiān)控會存在一定死角，監(jiān)控距離的調(diào)整和清晰度受到一定的限制。②大部分監(jiān)控僅僅用于監(jiān)視，將圖像傳輸給值班人員，很少或者基本沒有現(xiàn)場處置險情和處理出現(xiàn)可疑人員情形的能力。③人員巡邏最顯著的一個缺點是容易出現(xiàn)較長空檔期，在這個空檔期內(nèi)出現(xiàn)問題并不能及時處置，尤其是區(qū)域面積較大的倉庫。

設(shè)計一種集倉庫巡檢、險情監(jiān)測、實時報警、高效處置等功能于一體的智能安全防控系統(tǒng)，大幅提高倉庫自主防控能力，顯得極其重要并具有廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計了一種倉庫智能防控系統(tǒng)，具備如下功能：能自主或非自主規(guī)劃路徑，并能自動避障;能及時發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤可疑人物或目標;能發(fā)現(xiàn)微弱火源，并能半自主判別為意外火源和進行半自主滅火處理。

1? 智能防控系統(tǒng)方案

智能防控系統(tǒng)是集無人機、滅火、非致命武器、光、機、電、信息和控制技術(shù)于一體的綜合集成武器裝備，其主要目的是對倉庫庫區(qū)全范圍進行規(guī)劃路線巡檢，替代人員執(zhí)行任務(wù);探測初期火源并進行有效滅火;發(fā)現(xiàn)外來人員、車輛等敏感目標，并實施跟蹤、報警、喊話、控制及驅(qū)離等任務(wù)。

以六旋翼無人機為平臺，對倉庫智能防控系統(tǒng)進行總體設(shè)計。其組成應(yīng)由地面站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)組成?？刂品绞接腥N，包括機載計算機自主控制、地面站中央控制臺控制、飛手遙控器控制。初步方案如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)組成

倉庫智能防控系統(tǒng)中的無人機系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)相互結(jié)合互為整體，由1套六旋翼無人機巡邏系統(tǒng)和1套六旋翼無人機處置系統(tǒng)組成。其中，六旋翼無人機巡邏系統(tǒng)可掛載高清可見光攝像機和紅外熱像儀用于廣域巡邏偵察、火情初期預(yù)警及可疑目標快速搜索，六旋翼無人機處置系統(tǒng)可掛載喊話器、拋投器、催淚彈、滅火彈等多種載荷用于實現(xiàn)處置功能，包括初期火源撲滅、闖入人員驅(qū)離打擊等。系統(tǒng)組成如圖2所示。

整個系統(tǒng)區(qū)分硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是智能防控防控系統(tǒng)具體功能的實現(xiàn)載體;軟件系統(tǒng)則是基于硬件系統(tǒng)實現(xiàn)功能的良好人機接口。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

地面站系統(tǒng)包括指揮中心與各倉庫建筑物，建筑物之間采用通信光纜連接，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。通信系統(tǒng)由無人機、建筑物和指揮中心的無線數(shù)傳電臺和通信光纜組成，各倉庫建筑物的無線數(shù)傳電臺作為通信系統(tǒng)的中繼通信節(jié)點，延長了指揮中心的對無人機的控制范圍。六旋翼無人機采用“1+1”模式，即六旋翼巡邏無人機和六旋翼處置無人機互為補充和互相支持。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3? 任務(wù)載荷

依據(jù)智能防控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，無人機有效載荷系統(tǒng)主要包括[9]：高清可見光詳查相機、紅外熱像儀、激光測距模塊、圖像處理單元、防爆防火裝置[10];輔助系統(tǒng)包括穩(wěn)定平臺、數(shù)傳電臺（收發(fā)雙向且含天線）、數(shù)傳地面站。

有效載荷系統(tǒng)采用小型化、輕量化、模塊化設(shè)計思路，每個載荷可以單獨拆卸及更換，同時有效載荷系統(tǒng)集成在小型的光電吊艙內(nèi)（含雙相機），整體光電吊艙與六旋翼處置無人機任務(wù)裝置可以相互替換，可共用相同的無人機平臺。

①高清可見光相機。高清可見光詳查相機主要實現(xiàn)對視場內(nèi)區(qū)域目標進行高清成像，其中鏡頭采用變焦鏡頭，兼顧遠近距離成像。

②紅外成像儀。鑒于需要檢測庫區(qū)的疑似火源主要是自然火，植被、樹木火災(zāi)為主，并且載荷的體積重量功耗等主要受限于搭載無人機平臺，所以建議采用長波紅外熱像儀，以實現(xiàn)30～50m的疑似火源探測識別及告警，其中鏡頭采用變焦鏡頭，兼顧遠近距離成像。設(shè)計運用火焰分析技術(shù)，通過紅外傳感器和光學(xué)過濾器，對二氧化碳發(fā)射光譜具有較高的靈敏度，當檢測到相應(yīng)紅外頻譜模型的數(shù)據(jù)與火焰的紅外頻譜相一致時，可以給出報警信號，確保探測器準確無誤的探測到火焰信號[11]。

③激光測距模塊。激光測距模塊可以對指向的目標位置進行距離測量，該激光測距模塊與可見光相機及紅外相機應(yīng)采用平行軸向的安裝方式，能夠準確指向被探測目標的位置，便于準確測量被測目標的距離。

④圖像處理及存儲單元。圖像處理及存儲單元主要實現(xiàn)高清可見光/紅外圖像接收、可見光/紅外目標檢測識別、位姿距離解算、數(shù)傳鏈路通信、原始數(shù)據(jù)存儲等功能。圖像處理單元處理圖像處理功能之外，還要負責接收無人機平臺的定位/姿態(tài)數(shù)據(jù)，接收地面站上行的控制命令并實現(xiàn)對載荷裝置的控制，發(fā)送有效載荷的圖像數(shù)據(jù)和目標識別數(shù)據(jù)等[12]。其接口框圖如圖7所示。

⑤光電吊倉。為了實現(xiàn)“巡邏系統(tǒng)+處置系統(tǒng)”即1+1模塊化快速搭載方式，可以采用光電吊艙方式，將有效載荷集成在一個光電吊艙內(nèi)。高清可見光詳查相機、紅外熱像儀、激光測距機、圖像處理單元、測控通信單元集成于一個光電載荷吊艙內(nèi)，實現(xiàn)火焰探測識別及告警、可疑目標可見光詳查與識別跟蹤、激光測距及目標位置提取等功能。集成全部載荷之后的光電吊艙全載荷總重量不大于4.5kg，懸掛于無人機的下方，接收數(shù)傳設(shè)備發(fā)出的搜索、變焦、捕獲、跟蹤等指令，完成對目標的搜索、定位、識別、跟蹤以及報警，并可以輸出圖像給數(shù)傳設(shè)備。光電吊艙主要功能[13]：一是通過穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)塔實現(xiàn)慣性穩(wěn)定，保持無人機在機動飛行、機體振動和其它干擾情況下穩(wěn)定巡查、跟蹤等功能;二是光電吊艙光機系統(tǒng)為方位、俯仰兩軸結(jié)構(gòu)，紅外熱像儀和可見光相機采用模塊化，針對不同應(yīng)用時，可自由更換;三是光電吊艙機載操控系統(tǒng)接收計算機發(fā)出的操作指令后，可以執(zhí)行包括手動搜索、自動跟蹤，紅外熱像儀與可見光CCD攝像機的操作控制指令，伺服系統(tǒng)的關(guān)停，以及無線傳輸?shù)仍趦?nèi)的控制指令;四是根據(jù)控制命令實時地對目標進行手動搜索和自動跟蹤，把目標圖像信息實時地傳送給地面站監(jiān)視器。

⑥數(shù)傳電臺。無人機與地面站之間具有雙向通信能力，測控數(shù)據(jù)鏈路需要使用數(shù)傳電臺，滿足4Mbps以上的下行數(shù)據(jù)通信能力[14]，以及9.2kbps的上行通信能力，為確保指揮中心與六旋翼無人機的可靠通信，可設(shè)立多個無線電通信中繼，以避免通信盲區(qū)造成的失聯(lián)。

⑦防爆防火裝置。為了能和光電吊倉互相更換，防爆防火裝置，也是采用吊倉方式，增加彈射裝置，可裝配喊話器、催淚彈、滅火彈等多種載荷用于實現(xiàn)處置功能，標準化設(shè)計各種載荷，使載荷可互相更換，如裝配的多于1種載荷，相互間互不影響。

4? 地面站

地面站以高性能計算機為基礎(chǔ)，與接收機一起采取一體化設(shè)計，方便安裝和使用。整個系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在地面站的處理能力[15]，地面站配以倉庫智能防控軟件系統(tǒng)，能實現(xiàn)通信、監(jiān)視、目標識別與跟蹤、控制無人機、數(shù)據(jù)記錄和報警等功能，利用深度學(xué)習(xí)算法提高新型倉庫管理方式的智能化。

5? 結(jié)束語

本文提出了以六旋翼無人機為平臺的倉庫智能防控系統(tǒng)總體設(shè)計，利用建模的方法對無人機性能進行分析[16]，提出逆向求解無人機動力系統(tǒng)選型的算法，對任務(wù)載荷和地面站功能提出可供參考的意見。整個系統(tǒng)雖然仍然需要有人參與，大大增加了人的感知和處置范圍，與現(xiàn)有倉庫的防控系統(tǒng)相比，有很大的優(yōu)勢，為倉庫管控智能化的推進提供一個可行方法。

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作者簡介：王志剛（1987-），男，貴州貴陽人，碩士研究生，研究方向為毀傷理論與彈藥工程;馬嘯飛（1993-），男，甘肅會寧人，碩士研究生，研究方向為武器系統(tǒng)保障工程。