新型無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘要：在消防領(lǐng)域使用無(wú)人機(jī)，可以準(zhǔn)確定位事故位置、快速獲取現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠極大的提升消防工作的效率。本文提出一種新型的新型無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，使其能夠迅速定位火點(diǎn)、快速采集火場(chǎng)信息、縮短救援時(shí)間、提升救援效率。

關(guān)鍵詞：新型無(wú)人機(jī);消防救援系統(tǒng)

一、無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)的意義

當(dāng)前，火災(zāi)的發(fā)生率越來(lái)越高，而火災(zāi)的撲救難度也逐漸上升，當(dāng)前雖然具有一些能夠投入使用的消防系統(tǒng)，如防火分區(qū)系統(tǒng)、防火栓滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等，但這些系統(tǒng)就有較強(qiáng)的滯后性與局限性，不足之處較為明顯。當(dāng)前火災(zāi)救援的難點(diǎn)就在于怎樣能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握火場(chǎng)單位相關(guān)情況，從而能夠快速的做出消防部署。

近年來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展迅速，被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，其靈活性與機(jī)動(dòng)性能夠打破地形的限制，快速到達(dá)各個(gè)位置。因此，在消防工作中引入無(wú)人機(jī)，能夠充分利用無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，快速抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況，能夠支持消防人員第一時(shí)間了解火情，快速做出最正確的決策，提高消防效率。

二、無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

新型無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)包含四個(gè)模塊，分別是無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、信息采集傳輸系統(tǒng)以及救援系統(tǒng)。其中無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及救援系統(tǒng)是結(jié)合消防特殊的使用場(chǎng)景，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行篩選與靈活組合最終得到最適合本方案的產(chǎn)品[1]。該系統(tǒng)方案最重要的環(huán)節(jié)就是信息采集傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用聯(lián)調(diào)設(shè)計(jì)。

1.無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)可以理解為是無(wú)人機(jī)的大腦，通過(guò)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)來(lái)指揮無(wú)人機(jī)進(jìn)行起飛、轉(zhuǎn)向、飛行、著落等一系列的動(dòng)作，因此無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過(guò)篩選對(duì)比多種方案，在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用大疆多旋翼飛行控制器搭載NEO-M8N GPS模塊相對(duì)較好。這種設(shè)計(jì)對(duì)大疆飛行控制系統(tǒng)的ALL-in-One理念進(jìn)行了集成，既在一個(gè)模塊中集成了控制器、減震設(shè)計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀以及氣壓計(jì)從而實(shí)現(xiàn)飛行控制功能，如姿態(tài)鎖定、高度鎖定等。此外，由于NEO-M8N GPS模塊中采用的UBX協(xié)議，可以加強(qiáng)無(wú)人機(jī)定點(diǎn)懸停功能，這也使無(wú)人機(jī)的操控難度大大降低，也能及時(shí)的發(fā)送定位信息輔助救援任務(wù)的開(kāi)展。經(jīng)過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的調(diào)整測(cè)試優(yōu)化后，能夠在姿態(tài)、手動(dòng)、GPS模式之間自動(dòng)切換，讓無(wú)人機(jī)的飛行更加穩(wěn)定，也更好的為救援系統(tǒng)做好了前期鋪墊工作。

通過(guò)飛控系統(tǒng)能夠讓無(wú)人機(jī)對(duì)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使其保持在穩(wěn)定信道，進(jìn)而增強(qiáng)的無(wú)人機(jī)抗干擾能力。大疆Naza-M Lite系統(tǒng)采用PID算法對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行控制，再利用NEO-M8N GPS模塊生成的定位信息對(duì)無(wú)人機(jī)當(dāng)時(shí)的飛行姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算與分析，姿態(tài)解算單元采用PID算法生成控制量，再由飛控系統(tǒng)將其發(fā)送到遙控器上。無(wú)人機(jī)的操作人員就可以利用接收到的飛行狀態(tài)信息利用遙控機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)送遙控指令，以此來(lái)控制無(wú)人機(jī)的角度。飛控系統(tǒng)和遙控器能夠支持2.4赫茲與5.8赫茲的雙頻通信，能夠智能識(shí)別飛行過(guò)程中的通訊質(zhì)量，當(dāng)通訊質(zhì)量差時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整到穩(wěn)定信道，通過(guò)這種方式來(lái)對(duì)抗外界干擾。

2.機(jī)體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模塊

由三個(gè)及以上的螺旋槳組成的無(wú)人機(jī)叫做多旋翼無(wú)人機(jī)，最常見(jiàn)的是四旋翼無(wú)人機(jī)，由四個(gè)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉力能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)的垂直起降。改變旋翼的轉(zhuǎn)速和扭力能夠?qū)崿F(xiàn)低空飛行、垂直升降、原地打轉(zhuǎn)、空中懸停等動(dòng)作，這也符合了消防救援對(duì)無(wú)人機(jī)的特定需求。

共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)，就是通過(guò)在一個(gè)軸上安裝兩個(gè)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳，同軸上對(duì)兩個(gè)電機(jī)的連接采用相反的方式，且將上方的升力調(diào)整略大于下方，這樣既保證了無(wú)人機(jī)的靈活程度，又能提升一倍的升力，這樣就能夠搭載更多的救援設(shè)備[2]。

在機(jī)架的選擇上可以采用ZD550機(jī)架。該機(jī)架材料是碳纖維，質(zhì)地輕、強(qiáng)度高、成本低、可折疊，同時(shí)搭配40A電調(diào)、400kV無(wú)刷電機(jī)、14寸螺旋槳，可以做多提供5kg的載重，在不同救援環(huán)境、救援需求下都能提供滿足需求的救援設(shè)備。考慮到無(wú)人機(jī)在火場(chǎng)中對(duì)溫度有特殊需求，因此，采用3S-3300mAh航模電池要比燃料驅(qū)動(dòng)更合適，既能夠保證無(wú)人機(jī)的載重與續(xù)航能力，又很環(huán)保。

3.信息采集傳輸模塊

該系統(tǒng)組成包含了檢測(cè)裝置、控制模塊、供電單元以及通信模塊四部分。其中主控硬件電路為基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核的STM32F103RCT6最小系統(tǒng);系統(tǒng)中電源為3.3V，由AMS1117-3.3的穩(wěn)壓芯片提供;外界晶振由8 M 的無(wú)源晶振與電容構(gòu)成;復(fù)位電路由電阻和電容組成。以上就是ARM 芯片的最小系統(tǒng)構(gòu)成要素。設(shè)計(jì)時(shí)，在電源部分串聯(lián)一個(gè)0.1μF 瓷片電容作為濾波能夠起到穩(wěn)定電壓的作用。

網(wǎng)絡(luò)接入芯片采用ESP8266無(wú)線通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信方式的組網(wǎng)。檢測(cè)裝置主要是對(duì)空氣中火災(zāi)常見(jiàn)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，由溫感傳壓器、氣體檢測(cè)模塊等構(gòu)成，火場(chǎng)的壓強(qiáng)、溫度數(shù)據(jù)則是由穩(wěn)壓傳感器提供。

檢測(cè)裝置是通過(guò)集成電路總線將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)傳送到主控器，在經(jīng)過(guò)主控器處理后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端設(shè)備，再利用終端設(shè)備制定救援方案，租后操控救援設(shè)備開(kāi)展救援工作。

該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，能夠幫助消防人員快速做出決策。由于無(wú)線網(wǎng)傳輸距離長(zhǎng)且受環(huán)境干擾小，因此適應(yīng)多種復(fù)雜情況，保證無(wú)人機(jī)能夠正常工作。

4.救援系統(tǒng)

新型無(wú)人機(jī)采用可拆卸、可替代的方式，滿足不同設(shè)備的搭載需求以及對(duì)不同情況火災(zāi)事故的應(yīng)對(duì)能力，擴(kuò)大無(wú)人機(jī)的使用范圍，提升無(wú)人機(jī)靈活性。對(duì)于城市火災(zāi)，無(wú)人機(jī)可以更快的到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間營(yíng)救;對(duì)于森林火災(zāi)以及其他類(lèi)型的火災(zāi)，可以搭載大型滅火彈或者對(duì)應(yīng)的滅火裝備進(jìn)行救援，還能搭載呼吸面具、揚(yáng)聲器等設(shè)備。

結(jié)束語(yǔ)

新型無(wú)人機(jī)消防系統(tǒng)能夠有效提高消防救援的效率與能力。因此，我們要進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)人機(jī)消防救援系統(tǒng)的各個(gè)模塊，讓其能更好的發(fā)揮消防作用，減輕人員傷亡，降低財(cái)產(chǎn)損失，更好的保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)與生命安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]于昕民， 許謹(jǐn)， 郭豐偉，等. 基于無(wú)人機(jī)的消防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)科技信息， 2020， No.621（02）：78-79.

[2]童長(zhǎng)鑫，林金生. 探討新型智能化設(shè)備在消防救援中的應(yīng)用[J]. 低碳世界， 2020， v.10;No.208（10）：199-200.

作者簡(jiǎn)介：韓百軍，出生于1981年2月，男，漢族，籍貫（山東滕州，學(xué)歷本科，職稱助工，研究方向消防救援作戰(zhàn)訓(xùn)練。

自貢市消防救援支隊(duì) 四川 自貢 643000