廢墟狹小空間多旋翼生命搜索無人機需求分析和關鍵技術探討

朱笑然 張云昌 張濤 張雪華 于敬澤

0 前言

習近平總書記指出，要強化應急管理裝備技術支撐，優(yōu)化整合各類科技資源，推進應急管理科技自主創(chuàng)新，依靠科技提高應急管理的科學化、專業(yè)化、智能化、精細化水平。要加大先進適用裝備的配備力度，加強關鍵技術研發(fā)，提高突發(fā)事件響應和處置能力。

隨著無人機領域的不斷發(fā)展,微型無人機技術也越來越成熟,不僅在軍事領域得到了廣泛應用,在其他領域的應用也越來越多，比如在災害監(jiān)測、航空測繪等領域。微型無人機是基于微機電系統(tǒng)技術,涉及空氣動力學、材料學、結(jié)構學等多個領域集成的復雜系統(tǒng)。

針對新時期我國地震、地質(zhì)、洪水、泥石流、構筑物坍塌、極端氣候等災害應急救援的迫切需求和國家地震災害緊急救援隊多年的現(xiàn)場實際救援經(jīng)驗，圍繞應急救援裝備智能化、模塊化、輕型化的發(fā)展趨勢，結(jié)合當前微型無人機的應用現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展，對廢墟狹小空間多旋翼生命搜索微型無人機的需求和發(fā)展趨勢分析，并對其關鍵技術進行探討。

1 廢墟狹小空間多旋翼生命搜索無人機的行業(yè)需求和發(fā)展趨勢

災害發(fā)生后往往會造成大量人員被掩埋在建筑廢墟內(nèi)，根據(jù)“黃金72小時”黃金救援期，在這段時間內(nèi)，被困人員的存活幾率最高。越早被發(fā)現(xiàn)，越有利于開展營救，就越有可能給他們帶來存活的機會。因此，被困人員的生命搜索是救援現(xiàn)場的首要任務。搜索效率直接關系到救援工作成功與否，是提高被困人員存活率的重要因素。但是，地震、洪水、構筑物坍塌等災害發(fā)生后，極端惡劣的救援環(huán)境，如頻發(fā)的余震、狹小的縫隙、危險的建筑廢墟、有毒有害氣體、漏電、核輻射環(huán)境等，這些都給救援工作帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)，極大地影響救援效率，同時也威脅著救援人員的生命安全。

首先是救援時間的緊迫性。為了提高幸存者的存活幾率，救援隊員必須實現(xiàn)快速響應與最有效的救援方式，這就要求救援隊員要在最短時間內(nèi)完成大面積廢墟的生命搜索并準確定位幸存者。這給救援隊員的心理和生理都帶來了極大的考驗，很多隊員都有著24小時，甚至72小時連續(xù)工作經(jīng)歷，過度疲勞、壓力大等都會導致搜救工作效率的下降。

其次是廢墟環(huán)境的危險性。震后廢墟是一個極不穩(wěn)定的破壞形態(tài)，隨時會有余震發(fā)生，具有多次倒塌的危險，對救援隊員的生命安全造成威脅。破壞性地震可能會造成化工廠、核電站等特殊建筑的破壞，“3·11”日本地震引發(fā)的巨大海嘯對日本東北部造成毀滅性破壞，并引發(fā)福島第一核電站核泄漏，大量泄漏的核污染威脅著救援隊員的健康與安全，敲響了全世界范圍應急救援工作的警鐘。

最后是狹小的救援空間。由于幸存者被掩埋在錯綜復雜的倒塌建筑下，救援隊員很難通過狹小的倒塌縫隙搜索并定位幸存者，而且為了不對廢墟造成二次破壞，要放棄重型裝備，通過小型破拆工具打開救援生命通道。小型破拆工具在效率上要比重型裝備低，耗費時間長，這給救援工作帶來一定的困難[1]。

2020年6月13日，沈海高速浙江臺州溫嶺出口處，一輛載有25.36噸液化石油氣，由寧波開往溫州的槽罐車發(fā)生爆炸，爆炸波及范圍半徑約400至500米，爆炸產(chǎn)生的強大沖擊力造成一棟民房局部和兩處廠房倒塌，600余間房屋和多輛汽車受損，20人死亡，24人重傷，172人住院。爆炸使周邊建筑倒塌，部分建筑嚴重受損但未倒塌，有幸存者被困其中，救援隊員采用人工搜索和儀器搜索的方法，如圖1，但其廢墟結(jié)構的安全性未知，隨時都有發(fā)生二次倒塌的危險，對幸存者和救援隊員的生命安全造成一定威脅。

圖1 救援隊員采用人工搜索的辦法搜尋幸存者

綜上所述，應急救援是一項時間緊迫、危險度高、異常復雜的工作。因此，在災害發(fā)生后，可使用一種代替救援隊員進入到廢墟狹小空間中的多旋翼微型無人機，通過自主避障、自主導航等智能飛行技術，對被困人員進行搜索和定位。無人機體積小，可以穿過救援隊員不能通過的狹小縫隙；機動靈活性強，可以對廢墟內(nèi)部環(huán)境進行立體化搜索；能夠連續(xù)工作，可以減輕救援隊員的壓力。

微型無人機這一概念是由美國資深科學家奧根斯坦在1992年美國蘭德公司和國防高級研究計劃局舉辦的一次關于未來軍事技術的研討會上提出來的，它是指尺寸只有手掌大小的飛行器[2]。微型無人機具有體積小、隱蔽性強、便攜性好等特點，使得其被各個領域廣泛研究。美國是對微型無人機領域進行研究最早的國家，取得了重大成果，并將其在阿富汗戰(zhàn)爭中試用。我國也對微型無人機展開了系統(tǒng)的研究，航天科技集團公司北京空氣動力研究所研制的微型無人機目前已經(jīng)進入了自主飛行樣機研制試驗階段。2019年10月，大疆公司研發(fā)出了一款和手掌尺寸差不多的航拍小飛機，機身重量249g、飛行時間30min,飛行速度1～13 m/s。

當前微型無人機的技術越來越成熟，應用的領域也越來越廣泛，已經(jīng)為應急救援等特種行業(yè)小型化和智能化等需求奠定了相關的軟硬件基礎。根據(jù)大量的災害資料，通常的木和磚托梁結(jié)構的建筑物一般有五種形式的倒塌模式：層疊倒塌（餡餅式倒塌）、有支撐的傾斜倒塌、無支撐的傾斜倒塌、“V”形倒塌和“A”型倒塌。這些倒塌由于樓板、承重墻和家具等塌落在一起產(chǎn)生了疊加效果，一般會形成一些狹小的空間，就是這些狹小空間，可以為微型無人機提供穿越倒塌廢墟的通路，從而進入到廢墟內(nèi)部搜尋幸存者。

2 廢墟狹小空間多旋翼生命搜索無人機關鍵技術

目前，無人機領域中根據(jù)微型無人機的飛行特點及總體結(jié)構布局將其劃分為固定翼微型無人機、撲翼微型無人機和旋翼微型無人機三類，而旋翼微型無人機因其可以懸停、垂直起降，具有能夠在狹小的工作環(huán)境中運行的優(yōu)勢被使用得最多。按照多旋翼無人機結(jié)構及具備的功能，其發(fā)展可以分為3個階段，即被動飛行階段、半自主飛行階段及自主飛行階段[3]。自主飛行階段是指無人機可實現(xiàn)低空高精度懸停、自主定位導航、自主避障、自主路徑規(guī)劃及多傳感器融合與信息處理功能，該階段也是廢墟狹小空間多旋翼生命搜索微型無人機的理想狀態(tài)。

由于廢墟狹小空間環(huán)境條件的復雜性和不穩(wěn)定性，多旋翼生命搜索無人機的發(fā)展主要取決于自主定位導航技術、自主避障技術、多傳感器信息融合、模型重建與數(shù)據(jù)分析等技術的發(fā)展與成熟。

2.1 自主定位導航技術

自主定位導航技術由實時定位、地圖構建和路徑規(guī)劃與控制等技術構成。該技術可以實現(xiàn)無人機在廢墟環(huán)境中無需人工控制而自行智能飛行，并完成生命搜索任務。

相較于一般的室外野外高空環(huán)境,多旋翼微型無人機在廢墟狹小空間中搜尋被困者時需要實時定位、規(guī)劃飛行路線并躲避復雜的障礙物,這對無人機的精準定位和導航避障能力要求非常高。目前在無人機上應用較為廣泛的導航避障方法是即時定位與地圖構建(SLAM)技術,其中一類方法是基于激光雷達、毫米波雷達等高精度傳感器建立精確地圖,并在此基礎上完成無人機的路徑規(guī)劃并實現(xiàn)導航。這種方法雖然精度高且較為可靠,但依賴于傳感器,廢墟內(nèi)結(jié)構環(huán)境復雜，鋼筋等金屬材料以及黑暗潮濕的環(huán)境，不可避免會對傳感器造成一定干擾。另一類方法是基于單目和雙目相機的視覺SLAM,該方法通過對相機采集的圖像進行匹配,分析無人機的飛行姿態(tài)并重建周圍環(huán)境[4]。單目和雙目相機體積較小,可以安裝在微型無人機上，但是這類方法受相機圖像質(zhì)量因素的影響,性能較差的機載相機無法提供準確的信息。除了上述兩類基于SLAM技術的方法,還有一類方法直接利用深度視覺信息,通過搜尋廢墟中距離較遠的區(qū)域進行避障。由于不需要建立地圖,所以該方法的復雜度低、實時性好，但是需要使用體積較大的深度傳感器,而且只能進行局部避障,無法進行精準導航。

針對微型無人機載荷較低和續(xù)航時間短的特性,選擇激光雷達、毫米波雷達等高精度傳感器與單目雙目攝像機作為傳感設備,以激光測距飛行作為搜尋被困者過程中的主要路徑規(guī)劃方法引導微型無人機對廢墟中的各個角落進行搜索。同時利用云端深度恢復的方式還原單目雙目視覺圖像中的深度信息,并采用基于深度圖像的導航方法,在恢復的圖像中尋找可以飛行的路徑,從而優(yōu)化搜索路線，如圖2。相對于傳統(tǒng)的導航方式,該方法兼具傳感器占用體積小、可靠性高的特點，適合在微型無人機上使用。

圖2 微型無人機廢墟內(nèi)總體路徑規(guī)劃流程圖

2.2 自主避障技術

微型無人機在廢墟狹小空間內(nèi)飛行時對環(huán)境中的障礙物要具備自主識別、預判警告和主動避開等功能，要實現(xiàn)這些功能，主要有兩個方面需要得到解決，一方面是無人機自主避障系統(tǒng)對廢墟環(huán)境中障礙物的感知和識別，也就是通過避障系統(tǒng)的傳感器獲取障礙物的相關信息；另一方面是無人機自主避障系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鳙@取的廢墟環(huán)境中障礙物的相關數(shù)據(jù)做處理，實現(xiàn)對障礙物的有效預警和主動避開。

目前，國內(nèi)外用于感知環(huán)境中障礙物的傳感器可以分為主動式傳感器和被動式傳感器兩個大類。主動式傳感器是利用成熟的激光雷達、毫米波雷達等技術對無人機周圍的障礙物進行感知，無人機依據(jù)主動式傳感器感知障礙物信息，比如障礙物的位置、尺寸等。被動式傳感器是采用單目雙目等光學傳感器，通過拍攝獲取障礙物清晰的圖像輪廓[5]。激光雷達、毫米波雷達等主動式傳感器具有體積小、重量輕、測距遠的優(yōu)點，但是在測量障礙物方位角度時精準度低。單目雙目視覺傳感器可以測量障礙物所處的方位角度，具有計算量小的優(yōu)勢，但是在測量距離時精度低。

可采用主動式傳感器與被動式傳感器相結(jié)合的方式，如圖3。利用毫米波雷達等探測距離遠的優(yōu)勢，實現(xiàn)對遠距離障礙物的預警判斷，提升了飛行的安全性；在近距離靠近障礙物時，融合單目雙目視覺傳感器拍攝獲取的障礙物圖像與毫米波雷達、激光雷達高精度傳感器感知的障礙物距離、方位、角度等信息，實現(xiàn)了兩種傳感器的優(yōu)勢互補，可以完成有效的自主避障飛行。這種方式具有體積小、功耗低、計算量小的優(yōu)勢，適合應用在微型無人機領域。

圖3 無人機自主避障系統(tǒng)

2.3 模型重建與數(shù)據(jù)分析

在廢墟內(nèi)部飛行的微型無人機可搭載光學相機、紅外相機等相機載荷獲取飛行路徑下的物體信息，通過二維影像拼接技術和三維影像建模技術，將獲取到的廢墟內(nèi)部環(huán)境，通過遙控器傳輸?shù)絇C終端的3D軟件，最終形成二維圖像和三維模型，方便救援人員對廢墟內(nèi)部結(jié)構進行分析，有利于搜索被困者并制定最有效的救援方案。

廢墟內(nèi)二維影像實時拼接技術目前來看存在主要問題有以下幾個方面：一是無人機飛行高度低，獲得影像幅寬小。由于廢墟內(nèi)部空間有限，無人機飛行相對地物高度在厘米級，而搭載相機焦距和像元尺寸具有一定限制，因此獲得的單張影像地面范圍和影像分辨率有限，這將影響影像重疊度的要求。二是廢墟內(nèi)部光線弱及變化大。廢墟內(nèi)部光線較弱，利用光學載荷獲取的影像亮度較低，地物紋理不清晰，進而導致特征點提取較少難以完成影像匹配與拼接；同時在部分廢墟情況下光線條件變化大，圖像拼接后勻色難以完成。

目前三維建模技術是通過在無人機下方搭載不同角度的相機完成地物正上方和側(cè)方數(shù)據(jù)的信息采集，結(jié)合相機參數(shù)、飛行平臺導航定位定向系統(tǒng)、姿態(tài)等信息，輔助開展三維建模。由于三維模型計算量較大，要求算力較高，目前最新技術實現(xiàn)了稀疏點云的快速搭建，配備色彩信息可以大致看出地物形態(tài)。

進行廢墟內(nèi)部二維影像拼接和三維影像建模，首先要解決的就是數(shù)據(jù)獲取問題。由于廢墟環(huán)境的特殊性，需要獲取機身四周全方位的影像數(shù)據(jù)，故需要發(fā)展集成度更高的相機載荷，通過相機間相對位置信息確定影像相對位置，輔助開展特征點匹配，并且還需要解決在距離地物較近的情況下達到重疊度要求；其次是廢墟內(nèi)部光線問題。解決數(shù)據(jù)采集范圍問題后，需要解決的就是數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，重難點是需要解決廢墟內(nèi)部光線問題，曝光不足將極大地降低模型效果，因此需要綜合感知、載荷和速度自動控制等，構建綜合光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)；最后是時效性。時效性可以隨算力的提升和算法的優(yōu)化而進一步提高。算法優(yōu)化目前來看存在一定的難度，但是算力增加則可通過云服務器等方式極大提升。

3 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)外應急救援裝備的研究發(fā)展趨勢，提出一種可以進入到廢墟狹小空間中，集自主定位導航、自主避障、多傳感器信息融合等方面為一體的智能飛行技術，攜帶紅外、熱成像、音視頻等生命搜索模塊的多旋翼微型無人機的設想，可以更好地對被困人員進行生命搜索和定位。雖然目前還沒有這種應急救援裝備，但是我們有理由相信，隨著無人機技術的不斷發(fā)展，傳感器以及人工智能技術的不斷成熟，在不久的將來，我們可以實現(xiàn)無人機智能廢墟搜索，這將會全面提升我國應急救援能力，對提高災害救援技術水平具有重大意義。