森防垂起無人機飛行過程中主動安全性技術研究

王培毅 伍剛 邢志斌

摘要：基于森防任務區(qū)域地勢復雜、幅員遼闊等因素以及無人機飛行事故特點，文章提出通過自動避障、路徑規(guī)劃、ADS-B系統(tǒng)、仿地飛行等主動安全性設計，為后續(xù)森防無人機飛行過程中安全管理框架的構建奠定基礎。

關鍵詞：森防無人機;ADS-B;避障雷達;雙目下視;仿地飛行

一、垂起無人機森防的場景應用

我國民用無人機產業(yè)在2016年產值已達到150億元，近年來行業(yè)產值更是迅猛發(fā)展，其在搶險救災、環(huán)境監(jiān)測、航拍測繪、物流運輸、農林植保、個人消費等諸多領域得到了廣泛應用。作為新近崛起的潛力裝備，無人機以其強大的功能和獨特的應用價值收獲了應急、森防、消防部門的高度青睞，2021年應急管理部科技和信息化司發(fā)布《應急管理綜合行政執(zhí)法裝備配備標準（試行）》，在應急森防等綜合管理配備表中，亦將無人機列入。

垂起無人機具備建造和使用成本低、地勤保障要求低、人員安全風險小等特點，同時其技術的不斷創(chuàng)新，其品質、性能的不斷提升，以及價格的趨于合理，使得垂起無人機在森防領域的應用變得愈來愈多，當前我國各地森防部門以此來加強日常巡查、火場偵查、空中通信、輔助救援等業(yè)務已成為常態(tài)。

無人機可搭載可見光視頻圖像和熱成像視頻圖像吊艙荷載，配合AI林火識別算法，一方面，對重點防火區(qū)域每天進行常規(guī)巡查覆蓋，充分響應“打早、打了”的防火目標，對于森林中的地下火或者茂密枝葉掩蓋下的林火進行巡查預警，還可重點對人員進山、野外用火等情況進行巡查。另一方面，無人機能對火情態(tài)勢從空中進行持續(xù)觀察，使滅火指揮部門能夠迅速有效地組織力量部署，提高滅火作戰(zhàn)效率，減少救火人員的傷亡。

二、主動安全性技術概述

（一）安全性技術研究的必要性

隨著無人機產業(yè)在各行業(yè)場景迅速發(fā)展，無人機事故發(fā)生造成的大量經濟損失，嚴重威脅著公共安全和國家安全，引起了社會的廣泛關注。從2006年無人機行業(yè)迅猛發(fā)展，無人機使用量激增，無人機的飛行事故總量逐漸上升，其后隨著平臺、飛控、航電、材料、工藝、結構件等技術發(fā)展，使無人機事故率保持穩(wěn)定而略呈下降的總趨勢。

無人機安全性能的提高，依賴于無人機系統(tǒng)各分項技術進步與整體管理水平的綜合提高，是基于安全性完成分析、設計、驗證等全過程管理技術相結合的結果。無人機的飛行事故除了受任務系統(tǒng)、任務規(guī)劃與地面控制站、特定的起降設備和數據鏈路等多種自身飛行系統(tǒng)因素的影響，還會受到使用環(huán)境條件、執(zhí)行任務等的影響。事故的主導因素常常并非單一因素，而是多種因素關聯(lián)影響造成。

一般而言，無人機事故中最常見的原因之一便是駕駛員操作失誤，根據數據統(tǒng)計人為操作因素約占到無人機事故總量的31%。具體到不同型號無人機則可能有差異，如美國RQ-7、RQ-5，人為因素的事故率分別占21%和47%。因此，在設計過程中針對確定的人為因素進行安全性設計，可以很大程度減少人為因素導致的事故。

（二）主動安全技術的范圍

無人機整體的安全性包括結構安全性設計、電氣安全性設計、原材料與元器件選用安全性管理、應急處理措施以及使用管理安全性控制等要求。其安全性設計與系統(tǒng)研制同步開展，同步設計，同步驗證，一般包括：

1.無人機系統(tǒng)安全性設計應與產品功能、性能、預期使用環(huán)境等要素進行綜合權衡，通過安全性分析，確定安全性設計方案，并進行相關設計驗證;

2.無人機系統(tǒng)應設計相關的設備、程序或人機界面以應對可能出現的緊急情況;

3.應進行區(qū)域安全性分析或檢查，對鄰近系統(tǒng)、設備或部件的故障影響采取相應措施;

4.應對影響無人機系統(tǒng)安全的部位進行標識;

5.應按使用要求配置必要的檢測和聲光警告裝置;

6.與安全有關的事項，應在使用維護相關技術資料中作出明顯標識。

本研究則是在無人機系統(tǒng)中已集成搭載IMU、GPS、地磁等傳感器成熟性技術方案的基礎上，側重通過加裝自動避障、感知飛行器及三維仿地飛行等主動安全性設計，從感知障礙、繞過障礙、主動航線規(guī)避等多維度實現在垂起無人機飛行過程中的安全保障。

三、主動安全技術實現路線

（一）系統(tǒng)整體架構

在包含圖傳天線、數傳天線、飛行控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、載荷、無線通信鏈路等通用組成部分外，本文設計的主動安全技術系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

基于自動避障、仿地飛行等主動安全技術的無人機系統(tǒng)主要涉及機載分系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控）、地面站控制系統(tǒng)、無線通信鏈路，其各部分的任務和聯(lián)系如下：

機載分系統(tǒng)主要包括在飛行平臺中搭載雙目視覺系統(tǒng)、毫米波避障雷達系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)，完成自動避障過程中障礙物感知的任務，通過感知外部飛行器、前方及下方障礙物等實時環(huán)境數據，并將數據提交飛控系統(tǒng)或通過無線通信鏈路進行數據回傳。

地面站控制系統(tǒng)負責對采集到的圖像信息進行分析，在發(fā)現威脅之后，及時發(fā)送指令給飛控系統(tǒng);飛控系統(tǒng)收到指令之后，通過控制無人機的速度、航向等完成障礙規(guī)避。

無線通信鏈路則負責實現各子系統(tǒng)之間有關控制指令、回傳數據的無線通信傳輸，對其他幾個部分起到了通信橋梁的作用。

（二）機載分系統(tǒng)

1.分系統(tǒng)概述

機載分系統(tǒng)中搭載的視覺系統(tǒng)位于飛行器任務艙底部，由一組雙目攝像機組成;毫米波雷達系統(tǒng)位于任務艙底部和前部，由毫米波測距傳感器組成;搭載ADS-B系統(tǒng)可實時感知160公里范圍內的飛行器，實現威脅預警。飛行器迫降時，視覺系統(tǒng)通過計算機視覺算法感知飛行器下方環(huán)境，實時檢測障礙物的距離和輪廓，規(guī)避障礙物并自主選擇良好的降落點。毫米波雷達系統(tǒng)通過測距感知飛行器前、下方障礙物，并實時自動規(guī)避。

2.毫米波雷達系統(tǒng)

毫米波雷達系統(tǒng)基于面向人機安全交互的智能避障技術。飛行平臺外殼內部的前方及下方內側分別安裝有毫米波雷達傳感器，承載外殼內部位于雷達傳感器之間安裝有控制模塊。毫米波雷達是利用電磁波探測目標的電子設備，通過發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、方位、角度等信息。在起飛、飛行、降落各階段實時感知障礙物，如檢測到障礙物，無人機可立即改變飛行路徑，保障飛行安全。

毫米波雷達避障系統(tǒng)通過毫米波雷達感知障礙物距離，然后通過避障模塊進行判斷，當滿足設定條件時進行避障控制。避障模式分為前向避障和下向避障。其測距范圍為0.5～240m;其波束寬度：方位面28°，俯仰面18°，因前視避障和后視避障安裝方位差異，如圖2所示：

3.雙目視覺系統(tǒng)

雙目視覺系統(tǒng)采用兩個相同型號的CCD攝像頭組合而成，搭載于無人機平臺下方。通過雙目攝像頭視覺系統(tǒng)進行障礙物識別，對飛行過程中下方的障礙物進行檢測，獲取外部環(huán)境圖像信息。雙目相機采用全時期檢測障礙物模式，其實際視場角：左右60°，前后40°;實際探測距離為50m。

當發(fā)現障礙物時，通過雙目攝像機各獲得一張障礙物的圖像，利用視差原理、產生的立體視覺信息和視覺算法，以此獲得障礙物的三維空間坐標計算值，進而可獲得該障礙物的深度值，基于所獲取到的深度值得到無人機與障礙物之間的距離。

若無人機降落時，當離地50m時開始自動進行降落點智能篩選、地形智能感知，當探測到屋頂、懸崖等降落地時實時規(guī)避，確保飛行器安全降落。

4.ADS-B系統(tǒng)

ADS-B系統(tǒng)是集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，是廣播式自動相關監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）的簡稱，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。它把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC（空中交通管制，Air Traffic Control）監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機艙綜合信息顯示有機地結合起來。配備有ADS-B的垂起無人機在飛行過程中，發(fā)現160公里范圍內威脅預警，同時飛機通過調整高度或飛行方向的方式，實現自動規(guī)避，確保飛行安全。

機載電子設備包括GPS接收機、數據鏈收發(fā)機及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI，裝配后不需要任何地面輔助設備即可完成相關功能。

（三）飛行控制系統(tǒng)

無人機飛控是無人機的大腦，是指能夠穩(wěn)定無人機飛行姿態(tài)，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)。垂起無人機的飛行控制主要包括方向、副翼、升降、油門、襟翼等控制舵面，通過舵機改變飛機的翼面，產生相應的扭矩，控制飛機轉彎、爬升、俯沖、橫滾等動作。

各機載分系統(tǒng)模塊間通過ROS消息（TCP）的通信模式，與飛控采用SPI通信方式（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）。飛控與地面站系統(tǒng)主要交付是一方面接收地面站的用戶指令，另一方面向地面站回傳航測或視覺數據。其與機載分系統(tǒng)交付主要是為機載分系統(tǒng)提供GPS信息、離線高層、飛行狀態(tài)、各分系統(tǒng)開關指令、雷達測距指令等，同時接收各分系統(tǒng)的相機/系統(tǒng)狀態(tài)、測距數據、視覺數據等，供飛控系統(tǒng)內部判斷和控制無人機航線及飛行姿態(tài)。

（四）地面站控制系統(tǒng)

地面站控制系統(tǒng)是通過無線鏈路與機載設備（指飛控設備）雙向通信，接收復合遙測數據并通過網絡傳輸給控制終端，接收控制終端的指令和數據并通過無線鏈路傳輸給機載設備等;控制終端的作用是從基站接收、處理和顯示遙測數據（實現飛行狀態(tài)監(jiān)控以及視頻圖像顯示等），進行飛行任務規(guī)劃等。

基于高精度數字三維地圖的地形環(huán)境設計航線，在飛行線路上自動感知獲取障礙物坐標信息，可實現低成本、常態(tài)化的森防火情巡查、應急勘測、故障線路影像獲取等執(zhí)飛任務，具有快速進行航線規(guī)劃、一鍵匹配航線高度，生成仿地飛行航線、多種線路坐標格式導入導出等功能。借助此功能，垂起無人機能夠適應更多的地形，利用快速全局路徑搜索、路徑規(guī)劃和碰撞檢測算法，根據測區(qū)自動生成變高航線，實現點對點智能地形匹配飛行，保持地面分辨率一致，從而獲得更好的數據效果及飛行安全控制。

四、結語

通過視覺系統(tǒng)、毫米波雷達系統(tǒng)及ADS-B系統(tǒng)技術進行優(yōu)勢互補，無人機可具備全天候、全地形的全場景環(huán)境感知能力，繼而為危險地形、障礙物的及時規(guī)避提供了足夠的時間，從而提高了飛行過程中的安全系數，共同保證垂起無人機在森防飛行過程中的執(zhí)飛與降落安全。

參考文獻：

[1]李波，翟書穎，李茹，等.一種采用ADS-B技術的通用航空防撞系統(tǒng)[J].電訊技術，2019，59（01）：19-26.

[2]劉天奇.無人機視覺穩(wěn)定避障系統(tǒng)的設計與實現[D].北京：北京工業(yè)大學，2015.

[3]孫柯.基于毫米波的植保無人機避障技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2019.

[4]張宏宏，甘旭升，毛億，等.無人機避障算法綜述[J].航空兵器，2021，28（05）：53-63.

[5]魏愛萍，趙福龍，無人機在森林防火領域的應用及未來發(fā)展[J].農業(yè)技術與裝備，2021（10）：115-116.

[6]連婷婷，崔利杰.無人機系統(tǒng)的安全性與危險源分析[J].航空工程進展，2020，11（04）：517-523.