無人機技術在消防通信中的應用

趙 彥

（陜西交通職業(yè)技術學院，陜西 西安 710018）

1 無人機技術概述

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是由自身程序控制裝置或無線電遙控設備控制的無人駕駛飛行器，通常由地面站設備（任務控制、發(fā)射回收、無線電控制）、有效負荷以及無人機載體3部分構成。最早作為訓練用的靶機出現(xiàn)于20世紀20年代。無人機按照用途、飛行半徑、總體結構及航程等特點可以分為不同種類：按總體結構，可分為固定翼、垂直旋翼、傾斜旋翼無人機；根據(jù)活動半徑及航程，無人機可分為近程、短程、中程及遠程4類；根據(jù)用途，無人機分為軍用和民用兩大類型。

我國無人機發(fā)展始于20世紀50年代末。20世紀60年代后期研制出長空-1靶機、無偵-5高空照相偵察機以及D4小型遙控機系列，并建立以高等學校為基礎的無人機研究機構。目前，我國民用無人機的種類較多，包括旋翼無人機、飛艇無人機以及固定翼無人機等各種機型。經(jīng)過近幾年電子通信技術的迅速發(fā)展，無人機目前憑借其輕便的優(yōu)勢已應用于環(huán)境監(jiān)測、水情監(jiān)測、救災等各個行業(yè)領域。

目前無人機已發(fā)展到能夠自行運作的程度，具有小巧、方便等特點，能夠穿越大山、河流，通過巡線系統(tǒng)對通信線路進行高效、迅速的偵察，且成本低廉，在通信救災、高速公路管理、應急救援、森林防火以及地質測量等領域的應用成果顯著。

2 無人機功能架構

無人機系統(tǒng)由飛行器、控制站以及通信鏈路組成。飛行器由飛行平臺、動力裝置、導航飛控、電器系統(tǒng)及任務系統(tǒng)構成；控制站由顯示系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成；而通信鏈路由機載和地面構成。

2.1 飛行器

飛行器分為火箭、導彈、航空器、航天器以及制導武器5大類。常見的有飛機、氣球、滑翔機等，這些飛行器在大氣層內(nèi)飛行，因此稱為航空器，其依靠空氣相對運動產(chǎn)生的空氣動力從而升空飛行。載人飛船、航天飛機及人造地球衛(wèi)星等在空間飛行的飛行器稱為航天器，其在運載火箭的推動下獲得動力進入太空，然后在引力作用下完成軌道運動從而達到飛行目的。

2.2 控制站系統(tǒng)組成

無人機控制系統(tǒng)有載荷控制、數(shù)據(jù)鏈路控制、飛行控制及載荷數(shù)據(jù)處理4類硬件，還有無人機控制站、指揮處理中心以及載荷控制站3類不同的功能控制模塊。

2.3 通信鏈路

無人機與地面進行通信，主要由飛行器與地面系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶即數(shù)據(jù)鏈部分完成。隨著無線網(wǎng)通信技術以及衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，無人機數(shù)據(jù)鏈的性能大幅度增強。當前無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用的調(diào)制模式相對簡單，抗干擾能力較弱。因此，加強對無人機數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的探索，對我國低空領域無人機的發(fā)展非常重要。

3 無人機關鍵技術

無人機系統(tǒng)主要包括飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等。飛行控制系統(tǒng)是無人機的大腦，主要由陀螺儀、加速計、地磁感應、氣壓傳感器、超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊以及控制電路等組成，對無人機飛行的穩(wěn)定性、與地面進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约熬_度、實時性等都有重要影響。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)完成對遙控指令的準確傳輸，其性能優(yōu)劣直接影響到接收、發(fā)送信息的實時性和可靠性。發(fā)射回收系統(tǒng)能夠確保無人機順利升空并達到安全飛行高度和速度，在執(zhí)行完任務后重新安全回落到地面[1]。

3.1 飛 控

無人機飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡稱飛控，是無人機的大腦，能夠穩(wěn)定無人機飛行姿態(tài)，也是無人機區(qū)別于航模的最主要標志。按照功能劃分，飛控系統(tǒng)的硬件通常由主控制、接口、信號處理、數(shù)據(jù)采集以及舵機驅動等模塊組成，通過飛控板上的陀螺儀對無人機進行控制。

飛控系統(tǒng)實時采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收無線電測控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y控站上行信道發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)模塊處理，輸出控制指令給執(zhí)行模塊，實現(xiàn)對無人機各種飛行模態(tài)的控制和對任務設備的管理與控制。與此同時，將無人機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)動機、機載電源系統(tǒng)、任務設備等工作狀態(tài)參數(shù)實時傳送給機載無線電數(shù)據(jù)終端，通過下行信道發(fā)送回地面測控站，實現(xiàn)無人機在低空快速監(jiān)測并回傳信息。

3.2 無線通信技術

無人機實現(xiàn)無線通信的主要結構為：無人機載體安裝電池、視頻采集器及無線圖像發(fā)射機，電池與無線圖像發(fā)射機均固定在無人機底部位置，將視頻源與發(fā)射機相連接，構成完整的無線視頻發(fā)射 系統(tǒng)。

無人機在民用和軍事領域均可用于探測、偵察、監(jiān)測、應急及遙感等，可利用獲得的高分辨率圖像進行高空作業(yè)。無人機無線通信系統(tǒng)具有傳輸距離遠、傳輸圖像清晰、體積小、可靠性高等特點。實地勘測需要具體的圖像數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)量的增加，無人機系統(tǒng)的傳送速度和載荷量需要不斷提高[2]。

3.3 監(jiān)測技術

環(huán)境監(jiān)測無人機是一種以自身程序控制為主或無線電遙控的無人飛行器，按照系統(tǒng)組成和飛行特點可分為固定翼型無人機、無人駕駛直升機兩大類。作為現(xiàn)代化的新型監(jiān)測工具，環(huán)境監(jiān)測無人機可實現(xiàn)的應用主要有以下方面。

（1）實現(xiàn)無人機巡航監(jiān)測性能業(yè)務化，推進無人機定期巡航監(jiān)測，獲取空氣污染的高分辨率分 布圖。

（2）用無人機對移動污染源進行監(jiān)控與分析，評估污染源的真實排放情況，為準確治理大氣污染提供強有力的信息源。

（3）在環(huán)保監(jiān)測中擴大監(jiān)控范圍。

（4）在應對輻射等高危事件中，迅速利用無人機監(jiān)測技術及時獲取污染數(shù)據(jù)和信息，進行決策和處理。

4 無人機在消防通信中的應用

根據(jù)不同的危害類型及特點，自然災害可分為地震災害、生物災害、海洋災害、森林災害、氣象災害、農(nóng)作物災害、地質災害以及洪水災害等[3]。重大自然災害常常會造成受災區(qū)信息通信中斷、道路交通破壞以及人員傷亡，傳統(tǒng)的現(xiàn)場人力偵查手段的局限性已日益凸顯，無人機在救災通信中的積極作用得到不斷體現(xiàn)，出色地完成了各類滅火救援和搶險救災任務。消防部門已經(jīng)充分認識到無人機在滅火救援中的重要作用[4]。

4.1 M600系列無人機搶險救災

M600系列無人機具備5 km遠距離高清實時影像傳輸能力、提供38～40 min的超長續(xù)航，采用模塊化設計，安裝方便快捷，可很好地勝任遠距離林地火情偵查需求。與普通無人機相比，M600系列的輕量化機身、強大動力系統(tǒng)及最新A3飛控等配置，使其具有更高的可靠性、負載能力及更優(yōu)秀的飛行性能。M600系列可搭載禪思Z30相機，這款云臺相機擁有30倍光學變焦功能。在森林火情偵查中，消防員可將飛機穩(wěn)定懸停，利用變焦功能，可隨時移動設備放大查看觀察點情況，避免人員傷害及設備損失。M600系列無人機偵查火情現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 M600系列無人機偵查火情

4.2 消防無人機的技術優(yōu)勢

消防無人機采用技術先進的飛行控制系統(tǒng)，可對地面進行完備的長時間空中立體監(jiān)控，如圖2所示。消防無人機機身安裝了滅火裝置和視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，可對火災進行有效控制。

圖2 消防無人機

消防無人機的應用如有如下突出的技術 優(yōu)勢。

（1）快速響應。消防無人機分類較多，其中多旋翼無人機以其體積小、便于運輸、不受場地限制等優(yōu)點，能夠在災害發(fā)生后第一時間快速啟動作業(yè)，為消防救援工作贏得寶貴的時間。

（2）高空偵察。無人機能夠在空中長時間穩(wěn)定懸停，準確偵查火勢發(fā)展和受困人員處境。例如，華科爾FE15滅火無人機能接入4G網(wǎng)絡，采集并傳輸實時的高清直播畫面，實現(xiàn)精準救援；同時搭載雙鏡頭，可以出色地完成圖像傳輸，能夠隨時切換滅火器，精準把控火災現(xiàn)場的每處細節(jié)。

（3）安全滅火效果好。滅火器進入房間后不爆炸，僅噴出干粉。因此，不會對建筑物、內(nèi)部圍困人員或戶內(nèi)物品造成次生傷害。

（4）可適用有玻璃的滅火場景。當今，很多高層建筑出于美觀的考慮，外立面多采用玻璃幕墻。如遇到火災，可以采用FE15滅火無人機，首先發(fā)射機載式破玻器，可在20 m距離內(nèi)穿透10 mm厚鋼化玻璃；其次，待窗戶破碎后再發(fā)射滅火器進入房間實施滅火。消防滅火無人機能有效地針對高層建筑作業(yè)，是消防救援手段的重要補充，預計未來將成為城市消防部隊的標配。FE15無人機滅火現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 FE15無人機

無人機以高空優(yōu)勢通過攝影技術或其他遙感手段來獲取災情，能防止災害信息傳遞受阻而導致?lián)岆U救災行動的盲目部署，進而避免造成更大的次生災害和財產(chǎn)損失，為指揮救援提供強有力的保障和支撐。

5 結 語

目前無人機行業(yè)蓬勃發(fā)展，在應急測繪、救災物資投送以及被困人員搜尋等方面也屢建奇功，深受贊賞[5]。隨著無人機技術的成熟，人們發(fā)現(xiàn)無人機在越來越多的民用領域擁有可觀的市場價值。預計2025年，國內(nèi)無人機市場總規(guī)模將將達到750億元人民幣?？梢?，無人機經(jīng)過步步深入、層層配套的發(fā)展，將形成工業(yè)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈，更高效地推動民用無人機技術的發(fā)展與進步。當然，無人機技術也面臨著一些現(xiàn)實問題，如禁飛區(qū)、飛行安全以及運輸精準度等，這也將是未來無人機技術研究需要突破和發(fā)力的關鍵點。