無人機火災(zāi)中的應(yīng)用

張佳佳 尚 帥 肖 艷

（1.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué)電信學(xué)院，安徽 淮南 232000）

0 引言

在實際救援中，將單一傳感技術(shù)運用到無人機上，火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況難以確定，這時就可以綜合使用不同的傳感技術(shù)即多種傳感器技術(shù)，以滿足對火災(zāi)現(xiàn)場進行檢測、分析和數(shù)據(jù)采集的需求。并且隨著其在無人機運用領(lǐng)域的發(fā)展，多傳感器融合技術(shù)對一些模糊的信息也可以較為快速地處理，解決了消防救援中信息不清晰這一大難題。

1 無人機技術(shù)介紹

小型無人機是一種在低空使用的飛行器，內(nèi)部搭載有控制系統(tǒng)算法，同時還具備定位器、傳感器和檢測器等設(shè)備，借此實現(xiàn)自動控制，同時也可以借助遙控系統(tǒng)來進行手動操作或借助計算機物聯(lián)網(wǎng)進行遠程操控，為無人機適應(yīng)多種環(huán)境提供了便利。無人機可以搭載拍攝裝置，來航拍需要的畫面，并借助通信設(shè)備將拍攝的畫面?zhèn)鞯接嬎銠C上，達到信息交互的目的，為監(jiān)控、救援活動的展開提供了便利。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，無人機技術(shù)也有了顯著的進步，為了使人民的生活更便捷，安全更有保障，無人機應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷拓展。目前無人機在消防救援工作中有著廣泛應(yīng)用，能收集火災(zāi)現(xiàn)場的相關(guān)信息，協(xié)助消防指揮救援[1]。

2 在火災(zāi)救援中無人機所具有的優(yōu)勢

2.1 操作簡單

從技術(shù)方面來說，無人機的控制是通過互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及相關(guān)的軟件接口，與地面信息中轉(zhuǎn)站相連接，這毫無疑問大大降低了操作無人機的技術(shù)門檻，使得小型無人機在操作方面比較簡單。對于操作人員的要求得到了降低，在簡單的培訓(xùn)后便可熟練的使用無人機。通過遙控裝置和計算機輔助跟蹤就可以做到調(diào)節(jié)無人機狀態(tài)，達到實時控制無人機的目的。無人機有著不同型號，也可以搭載不同的裝置設(shè)備滿足不同工作環(huán)境的需要。一般無人機可以利用攝錄機航拍需要的畫面，并借助通信設(shè)備將拍攝的畫面?zhèn)骰氐接嬎銠C上，從更廣泛的角度、更遠地距離對火災(zāi)現(xiàn)場的信息進行全面的收集，提供了更準(zhǔn)確的信息，對消防救援提供了有利條件。

目前，無人機可以使用輔助設(shè)備，例如，在需要保證細節(jié)的地方可以使用高清攝像頭、在黑夜里確定受害者所在地點可以使用熱成像儀、紅外夜視儀等，無人機可以根據(jù)現(xiàn)場情況來更換設(shè)備，保證救援的正常進行，使用者可以通過遙控器對無人機進行手動控制，也可以通過手提電腦、手機等電子設(shè)備對無人機進行自動控制，這樣只需要調(diào)節(jié)無人機的設(shè)備、位置、角度就能對受災(zāi)環(huán)境有全方位的了解。

2.2 信息收集能力強

在進行滅火救援時，信息的有效交互是十分重要的，但是由于火災(zāi)的不確定性強、擴散速度快，現(xiàn)場的情況無法實時掌握，使消防救援受到掣肘，所以需要無人機進行無線通信傳輸。在到達火災(zāi)現(xiàn)場后，第一時間利用無人機進行無線傳輸，將航拍收集到的畫面信息傳送到消防指揮中心，讓消防指揮中心可以實時監(jiān)控火災(zāi)情況，充分判斷形勢，現(xiàn)場消防員也可以迅速協(xié)同接收來自指揮部門的救援指令，及時展開救援行動，不僅保障了人民群眾的生命財產(chǎn)安全，更使得災(zāi)情可以得到最有效的控制。另外，無人機搭載不同的設(shè)備可以達到搜索、照明、探測、搜尋等功能，在火災(zāi)救援中起到舉足輕重的作用，對消防員開展救援工作有著積極影響。

2.3 安全性高

無人機對環(huán)境有著很強的適應(yīng)性，可以在不同的天氣環(huán)境下工作，甚至在雷雨等極端天氣下工作[2]。所以無人機在消防救援工作中的使用提高了生存率，增加了救援的成功率。無人機核心的優(yōu)勢是它可以進行遠程操控，可以為消防人員收集現(xiàn)場內(nèi)部的相關(guān)信息。而且在進行滅火救援時，如果是高危險場所，消防員進入現(xiàn)場需要評估危險性，而無人機能夠替代消防員進入現(xiàn)場偵查，消防工作的危險性得到了降低。

由于無人機有較強的機動能力和較低的起飛條件，所以無人機能夠在絕大多數(shù)的空間中實現(xiàn)各個角度的航拍工作[3]。且無人機在低空作業(yè)時拍攝畫面更清晰，通過配備不同的設(shè)備能在不同條件下開展活動，提高了救援的容錯率。

消防人員可以根據(jù)救災(zāi)現(xiàn)場的需要控制無人機停留在空中的位置以及配備的設(shè)備，對目標(biāo)對象進行特寫或全局拍攝，幫助消防指戰(zhàn)員剔除多余信息，有效掌握現(xiàn)場情況。無人機的飛行基本不受天氣影響，在發(fā)生泥石流、暴雨的災(zāi)情現(xiàn)場，無人機能夠快速到達災(zāi)情中心，幫助消防救援隊伍有效獲取重要信息，為消防救援提供大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這是制定行之有效的救援策略的依據(jù)。無人機的使用對于提高風(fēng)險應(yīng)對效率，降低災(zāi)難造成的損失有著積極意義。

3 無人機的技術(shù)融合設(shè)計方案

無人機消防救援系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由遙感平臺、傳感器分析、GPS定位導(dǎo)航、救援系統(tǒng)3個部分組成。其中無人機作為遙感平臺，搭載多種設(shè)備，適應(yīng)多種場景，能根據(jù)實際情況選擇合適的設(shè)備，滿足了搶險救災(zāi)的需求。而信息采集傳輸則作為該系統(tǒng)最重要的部分，即對視覺傳感和GPS定位導(dǎo)航通過聯(lián)調(diào)設(shè)計實現(xiàn)。下面本文將介紹各個系統(tǒng)的設(shè)計組成及其實現(xiàn)。

圖1 無人機救援系統(tǒng)

3.1 遙感平臺系統(tǒng)

無人機遙感平臺系統(tǒng)包括無人機控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、視覺傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、地面調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，其中最主要的是無人機控制系統(tǒng)，通過附加的程序，消防員在進行救援活動時可以更方便地使用和調(diào)整無人機，以完成更加困難的作業(yè)。無人機遙感系統(tǒng)的主體部分是無人機，利用無人機的靈活性來進行消防檢測和救援，無人機的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。無人機主要是由平衡舵機、通信單元、GPS定位系統(tǒng)、發(fā)動機、反饋云臺的聯(lián)合協(xié)作來達到自由控制飛行的目的。無人機控制系統(tǒng)由兩個主要部分組成，分別是地面監(jiān)控單元與機載控制單元，前者利用地面控制的平臺站點來進行主要的監(jiān)控活動，并對無人機的飛行狀態(tài)和任務(wù)狀態(tài)進行管理；對于后者而言則是通過不同的模塊設(shè)計來調(diào)整無人機的內(nèi)部[4]。無人機遙感系統(tǒng)的另一個重要設(shè)備是穩(wěn)定云臺，其作用是監(jiān)控飛行器的翻轉(zhuǎn)角、航向等三維軸向問題，并對三軸自反饋控制平臺進行分析調(diào)整來傳遞相應(yīng)的任務(wù)，使得無人機可以更好的平衡。對于地面控制系統(tǒng)想要進行實時管理則必須采用非常規(guī)方法，可以利用無線通信系統(tǒng)，并借助通信設(shè)備傳遞的信息對無人機的飛行軌跡展開研究，讓無人機的監(jiān)視效果達到最優(yōu)，同時由于通信設(shè)備的存在無人機的實時調(diào)度也有序進行，使無人機的工作效率得到保證。

3.2 視覺傳感

使用多傳感器來進行視覺傳感，目的是細致地掌握受災(zāi)情況，采取最有效的救災(zāi)方案。在復(fù)雜、多變的環(huán)境下，如果只使用單一的傳感器，在外界環(huán)境變化較大的情況下，識別的目標(biāo)往往伴有模糊性和不確定性，將無法識別目標(biāo)特征，且難以獲得有效的信息，不利于救援工作的開展；而多傳感器融合技術(shù)的使用，相較于單傳感器，大幅度改善了信息模糊的情況，削減了不確定性帶來的影響。當(dāng)采用多個傳感器交互構(gòu)建的全目標(biāo)多態(tài)識別時，由于多個傳感器性能的互補，系統(tǒng)更穩(wěn)定，抗干擾能力得到提高，目標(biāo)識別能力也得到了提高，同時傳感器識別目標(biāo)的覆蓋范圍也得到了大范圍擴展。目前在多目標(biāo)或復(fù)雜環(huán)境下多傳感器技術(shù)的地位日益提高，毫無疑問會成為精確識別的基礎(chǔ)，因為多傳感器技術(shù)的存在，未來搶險救災(zāi)會變得更安全。

3.3 GPS定位、慣性導(dǎo)航

GPS定位利用互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)來確定受災(zāi)狀況，并確定具體的救援實施方案。而火災(zāi)洪水等災(zāi)害發(fā)生時，常常會伴有低信噪比的情況發(fā)生，GPS信號的傳輸會受到大幅度削弱，信號追蹤的效率減少乃至消失，所以將使用高靈敏度GPS進行捕捉，以提高接收器的處理增益，達到更好的救災(zāi)效果。

而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過使用經(jīng)典牛頓力學(xué)原理對實際信息進行積分解算，對無人機在導(dǎo)航坐標(biāo)系之中的基礎(chǔ)受力情況進行分析，再對導(dǎo)航坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的三維旋轉(zhuǎn)情況進行分析[5]，兩者相結(jié)合達到慣性導(dǎo)航的目的。平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于平臺的坐標(biāo)系進行測量，使測量信息輸出于坐標(biāo)系之中，再將導(dǎo)出的信息進行反解，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乐笓]中心，使工作人員做好充足的準(zhǔn)備，以盡早確定需要采取的救火措施，使損失最小化。

4 結(jié)語

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實中無人機的應(yīng)用也越發(fā)成熟，今后無人機的應(yīng)用勢必會在消防救援中起到至關(guān)重要的作用。消防隊在進行消防救援任務(wù)時面對不同的環(huán)境，可能發(fā)生的意外情況和不確定因素較多，而無人機的使用，則改變了這一問題。無人機作為人力勘測的有效替代品，能夠避免讓人直面災(zāi)害現(xiàn)場，毫無疑問確實保障了人員人身安全。同時無人機的使用快、準(zhǔn)、好地完成了災(zāi)情現(xiàn)場的勘探。本文就目前無人機應(yīng)用于消防滅火救援隊的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景展開敘述，希望可以通過對上述幾種裝置的有效結(jié)合，有效彌補以往消防救援工作中存在的不足和缺陷，采取多傳感信息融合交互技術(shù)獲取安全的救援路線，使得消防救援工作的風(fēng)險減小。