滅火型消防無(wú)人機(jī)的地面站輔助瞄準(zhǔn)方法

宋晨暉，程子嘯

（廣州億航智能技術(shù)有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程的加快，中心城市建筑密度不斷增加，垂直空間上持續(xù)增長(zhǎng)的高樓成為了靚麗的城市風(fēng)景線，但同時(shí)也帶來(lái)了巨大的消防隱患［1］。高層建筑的“煙囪效應(yīng)”造成其火災(zāi)具有破壞力大、撲救難度高、火災(zāi)蔓延途徑多等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高層建筑的火災(zāi)撲救還依賴建筑內(nèi)部的消防噴淋系統(tǒng)進(jìn)行整體降溫，走火通道進(jìn)行人員疏散，防火閘門進(jìn)行物理隔斷，最后由消防員在外部使用云梯進(jìn)行表面降溫，內(nèi)部攜帶裝備徒步攻堅(jiān)的方式進(jìn)行撲救的方法［2－3］。因此，高層建筑的滅火救援一直是世界難題，給消防救援工作帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的云梯消防車模式受制于云梯高度限制，其噴射高度、舉升高度有限，加之消防車通道被占、展開環(huán)境受限、展開時(shí)間較長(zhǎng)，許多火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)都有撲救不及時(shí)的情況發(fā)生。同時(shí)此模式的設(shè)備使用和維護(hù)成本巨大，價(jià)格動(dòng)輒千萬(wàn)元以上，配置數(shù)量極為有限。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速迭代，應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)大，消防無(wú)人機(jī)作為消防救援活動(dòng)的補(bǔ)充裝備應(yīng)運(yùn)而生［4－5］。輔助型消防無(wú)人機(jī)主要攜帶特種攝像裝備，將高處火災(zāi)情況通過攝像頭、紅外雙光攝像機(jī)等設(shè)備實(shí)時(shí)傳至地面消防作業(yè)人員，輔助消防作業(yè)人員定位火災(zāi)地點(diǎn)，為滅火方案制定研判依據(jù)，降低人員偵察帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)因素，避免人員進(jìn)入有毒、易燃等危險(xiǎn)環(huán)境。滅火型消防無(wú)人機(jī)主要攜帶滅火消防設(shè)備，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行高空消防作業(yè)，其載重一般在50～100 kg；載荷種類根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同有水劑、干粉、滅火投擲彈等；其作業(yè)方式均為水平噴射或水平投擲；作業(yè)距離受噴射功率及滅火劑彌散性能的影響，在5～15 m不等；其作業(yè)目標(biāo)為高層帶窗建筑，通過對(duì)建筑窗口內(nèi)噴射滅火劑將室內(nèi)火勢(shì)進(jìn)行控制［6］。

通過使用消防無(wú)人機(jī)第一時(shí)間到達(dá)火場(chǎng)，對(duì)起火點(diǎn)進(jìn)行偵察研判并實(shí)施精準(zhǔn)撲滅，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑火災(zāi)的“查早、打早、滅早”，并能夠有效保障消防員和現(xiàn)場(chǎng)受困人員的生命安全［7－8］。

當(dāng)前常見消防無(wú)人機(jī)作業(yè)模式通常為攜帶裝備到現(xiàn)場(chǎng)展開作業(yè)的操作方式，即消防員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后就地展開無(wú)人機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)使用遙控器控制無(wú)人機(jī)并對(duì)火災(zāi)場(chǎng)地進(jìn)行初步偵察，確定起火位置后再使用滅火型無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)［9］，其作業(yè)瞄準(zhǔn)操作使用遙控器進(jìn)行：操作員通過無(wú)人機(jī)搭載的攝像頭所拍攝實(shí)時(shí)圖傳與現(xiàn)場(chǎng)自身目視情況進(jìn)行對(duì)比校正瞄準(zhǔn)。由于高層建筑的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域脫離目視范圍情況較多，使用遙控器手動(dòng)瞄準(zhǔn)容易產(chǎn)生目視偏差，觀瞄準(zhǔn)確度依賴現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)飛者經(jīng)驗(yàn)。因此需要找到一種適用于遠(yuǎn)程控制瞄準(zhǔn)的方法予以校正以提高滅火的精準(zhǔn)性?；诖耍疚膶?duì)以上問題展開研究。

1 輔助瞄準(zhǔn)方法原理

筆者所在團(tuán)隊(duì)研制了一款大載重滅火型消防無(wú)人機(jī)，其具有快速響應(yīng)、大載重、多種載荷配合作業(yè)的特點(diǎn)。預(yù)期用于高層建筑火災(zāi)的消防應(yīng)用，主要面向場(chǎng)景為消防車云梯所無(wú)法觸及的高層建筑火災(zāi)。得益于大載重優(yōu)勢(shì)特性，其載荷為100 kg 水劑／粉劑滅火劑，同時(shí)搭載破窗滅火彈6 枚，搭配4G 無(wú)線通信系統(tǒng)與地面控制站進(jìn)行操縱。使用水平噴射方式對(duì)高層建筑室內(nèi)火災(zāi)進(jìn)行滅火作業(yè)［10］。

滅火水劑／粉劑噴嘴固定安裝于無(wú)人機(jī)前向方位，作業(yè)有效范圍為一固定值；同樣安裝于無(wú)人機(jī)前向方位的可見光攝像頭則可以無(wú)人機(jī)視角采集現(xiàn)場(chǎng)畫面。使用地面控制站進(jìn)行輔助瞄準(zhǔn)方法的具體方法原理為：根據(jù)攝像機(jī)凸透鏡成像原理［11］，在已知機(jī)載攝像機(jī)焦距f 的前提下，通過地面控制站計(jì)算傳輸?shù)讲僮鹘K端顯示屏中實(shí)時(shí)畫面的各要素相對(duì)位置關(guān)系，從而推算物理成像平面中真實(shí)物體的相對(duì)位置關(guān)系，如圖1 所示。通過該推算真實(shí)物體位置關(guān)系結(jié)合無(wú)人機(jī)環(huán)境感知數(shù)據(jù)（包括無(wú)人機(jī)當(dāng)前實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置、無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置與建筑物或障礙物的距離），經(jīng)換算轉(zhuǎn)化為無(wú)人機(jī)控制坐標(biāo)系中的位移控制輸入指令，使無(wú)人機(jī)根據(jù)指令移動(dòng)至目標(biāo)位置點(diǎn)。

圖1 攝像機(jī)凸透鏡成像原

2 系統(tǒng)構(gòu)建

滅火型消防無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建包括機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機(jī)載系統(tǒng)、地面控制站［12］。機(jī)身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要為滅火劑載荷提供裝載平臺(tái)，為其他機(jī)載設(shè)備提供安裝和工作條件，并把這些部件載荷有效的分配和傳遞，使之達(dá)到受力平衡。機(jī)載系統(tǒng)由飛行控制、障礙感知、能源供給、動(dòng)力裝置、通信組件所構(gòu)成［13］。飛行控制處理外部輸入的飛行指令，通過傳感器感知速度、高度、姿態(tài)、位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)空間位置和飛行狀態(tài)的控制；障礙感知為多組激光雷達(dá)及前向可見光攝像頭，激光雷達(dá)工作朝向覆蓋飛行作業(yè)方向，用于探測(cè)距飛機(jī)100 m 范圍內(nèi)的典型障礙物（如建筑外立面），攝像頭用于提供作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)圖像，并為操控員對(duì)飛行控制指令的輸入提供視覺參考；能源供給為多組鋰離子動(dòng)力電池，提供飛行控制與機(jī)載系統(tǒng)工作所需能源；動(dòng)力裝置接收飛行控制系統(tǒng)輸入指令并使用能源供給系統(tǒng)提供的能量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)多組螺旋槳的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)整機(jī)飛行；通信組件通過商用4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與地面控制站建立數(shù)據(jù)鏈，向機(jī)載系統(tǒng)傳輸人工指揮和控制指令，同時(shí)也向地面控制站傳輸實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。地面控制站綜合處理機(jī)載系統(tǒng)回傳的各項(xiàng)關(guān)鍵飛行參數(shù)，并以特定人機(jī)交互界面向操控員提供飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)、地理位置信息、圖像采集信息、作業(yè)掛載工況信息。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 滅火型消防無(wú)人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

3 輔助瞄準(zhǔn)及計(jì)算過程

3.1 飛行控制

將滅火型消防無(wú)人機(jī)部署于城市中特定位置的消防站點(diǎn)，以該站點(diǎn)為中心負(fù)責(zé)管控半徑5 km內(nèi)的所有高層建筑。消防站配置合適的起降場(chǎng)地，供滅火消防無(wú)人機(jī)直接在站點(diǎn)快速起飛，近距離飛往轄區(qū)內(nèi)的高層建筑附近［14］。

起飛后可對(duì)該無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在消防員地面出動(dòng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前提前偵察，向地面回傳數(shù)據(jù)并執(zhí)行滅火作業(yè)。

3.2 態(tài)勢(shì)感知

無(wú)人機(jī)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后操作員首先利用位于機(jī)身前方的可見光攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行態(tài)勢(shì)研判，手動(dòng)控制爬升／下降至對(duì)應(yīng)起火點(diǎn)高度。使無(wú)人機(jī)靠近建筑物外立面約20～30 m處。機(jī)載雷達(dá)識(shí)別的障礙物數(shù)據(jù)回傳至地面控制站，并在地面控制站的地圖界面上形成散點(diǎn)分布。操作員通過散點(diǎn)分布狀態(tài)可判斷建筑物外立面輪廓形態(tài)。結(jié)合可見光攝像頭回傳的圖像信息增加現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境認(rèn)知。

3.3 鎖定方位

操作員通過地面控制站開啟輔助瞄準(zhǔn)功能。此時(shí)飛機(jī)攝像頭將會(huì)進(jìn)入前向鎖定模式，攝像頭回傳的圖像將與飛機(jī)前向噴嘴保持相對(duì)固定的狀態(tài)。操作員在地面控制站的地圖界面根據(jù)機(jī)載雷達(dá)識(shí)別到的障礙物數(shù)據(jù)繪制建筑物外立面輔助參考線。通過該輔助參考線，地面控制站可獲知飛機(jī)當(dāng)前朝向方位與建筑物外立面參考線、外立面參考線垂直法線的夾角關(guān)系。如圖3 所示，虛線段“噴嘴指向方位”代表飛機(jī)當(dāng)前朝向方位，虛線段“人工繪制輔助線”代表建筑物外立面參考線，滅火作業(yè)點(diǎn)為預(yù)期到達(dá)的作業(yè)方位。

圖3 滅火作業(yè)平面示意圖

3.4 獲取瞄準(zhǔn)方位夾角

進(jìn)行輔助瞄準(zhǔn)計(jì)算的第一步需獲取視場(chǎng)內(nèi)瞄準(zhǔn)方向與無(wú)人機(jī)當(dāng)前朝向的方位夾角。機(jī)載攝像頭此時(shí)為前向拍攝模式，根據(jù)機(jī)載攝像機(jī)鏡頭的水平及垂直可視視場(chǎng)角（∠FOV）度數(shù)（∠FOVx水平視角、∠FOVy垂直視角），結(jié)合已知攝像頭回傳的圖像分辨率水平及垂直像素點(diǎn)P（Px、Py），當(dāng)操控員在地面控制站人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)圖像傳輸畫面中點(diǎn)擊需要瞄準(zhǔn)的滅火位置時(shí)，地面控制站記錄交互界面上位置點(diǎn)M坐標(biāo)，得出M點(diǎn)距畫面中心O點(diǎn)的像素距離X′與Y′，根據(jù)三角形性質(zhì)結(jié)合已知圖像分辨率P 與可視視場(chǎng)角∠FOV 可得∠M，最終可得圖像畫面中瞄準(zhǔn)方位與攝像機(jī)CMOS 傳感器的水平夾角∠C（圖4）。受限于攝像機(jī)有限視場(chǎng)角范圍，獲取瞄準(zhǔn)方位夾角僅適用于可被攝像機(jī)拍攝到的圖像內(nèi)點(diǎn)位。

圖4 攝像機(jī)視場(chǎng)示意

3.5 計(jì)算瞄準(zhǔn)點(diǎn)位與無(wú)人機(jī)距離

除獲取瞄準(zhǔn)方位夾角以外，還需根據(jù)無(wú)人機(jī)環(huán)境感知數(shù)據(jù)計(jì)算無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置距離瞄準(zhǔn)點(diǎn)位（起火點(diǎn)）的實(shí)際距離。根據(jù)前述系統(tǒng)構(gòu)建中內(nèi)容，無(wú)人機(jī)搭載了機(jī)載前向測(cè)距雷達(dá)，操作員可通過機(jī)載雷達(dá)讀數(shù)在地面控制站直觀地識(shí)別障礙物或建筑外立面輪廓，并以此在地面控制站的地圖仿真界面中根據(jù)建筑外立面輪廓設(shè)定該建筑的輔助參考線。則地面控制站可通過輔助線、夾角∠C計(jì)算無(wú)人機(jī)當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)與瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)的水平距離關(guān)系S（圖5）。

圖5 滅火作業(yè)點(diǎn)移動(dòng)示意圖

以下給出一種通過地面控制站軟件接合內(nèi)置地圖經(jīng)緯坐標(biāo)系計(jì)算距離S 的方法。以無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置作為坐標(biāo)系原點(diǎn)的情況下，操作員在地圖設(shè)定的輔助參考線可表示為（結(jié)合地圖經(jīng)緯度，則系數(shù)均為已知狀態(tài)）：

而根據(jù)∠C（水平）可得在該無(wú)人機(jī)坐標(biāo)系下，滅火目標(biāo)點(diǎn)與無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置連線的表達(dá)為（系數(shù)已知）：

聯(lián)立方程可得滅火目標(biāo)點(diǎn)在無(wú)人機(jī)坐標(biāo)系下的水平坐標(biāo)T（xT，yT）：

則該距離S為：

3.6 換算無(wú)人機(jī)位置控制指令

結(jié)合無(wú)人機(jī)搭載噴管的有效作業(yè)射程，可設(shè)定無(wú)人機(jī)預(yù)期滅火作業(yè)點(diǎn)垂直向距瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)（起火點(diǎn)）的距離為D（圖5）。此時(shí)瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)、滅火作業(yè)點(diǎn)、無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置在水平面內(nèi)形成了一個(gè)三角形，且滅火作業(yè)點(diǎn)與瞄準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)的連線位于建筑外立面輔助參考線的垂直法線上。已知滅火目標(biāo)點(diǎn)與無(wú)人機(jī)水平距離S、預(yù)設(shè)滅火距離D、∠C（水平），根據(jù)三角函數(shù)可計(jì)算無(wú)人機(jī)距離滅火作業(yè)點(diǎn)所需最短移動(dòng)距離，并依照該最短移動(dòng)距離換算為無(wú)人機(jī)坐標(biāo)系下拆分位移量x，y。地面控制站通過向飛行控制系統(tǒng)發(fā)送位移指令（x，y）使得無(wú)人機(jī)自動(dòng)移動(dòng)至滅火作業(yè)點(diǎn)，調(diào)整偏航角度指向建筑外立面輔助參考線的垂直法線，且使得無(wú)人機(jī)懸停在最佳作業(yè)距離待命。輔助瞄準(zhǔn)及計(jì)算流程如圖6 所示。

圖6 計(jì)算流程

3.7 開始作業(yè)

操控員通過地面控制站擊發(fā)機(jī)載水平發(fā)射滅火裝置，利用前部的滅火彈將房間從外部打開缺口，并讓滅火彈體在房間內(nèi)引爆，進(jìn)行小范圍撲滅。使用水平高壓噴管將機(jī)載滅火劑由缺口處灌入房間，對(duì)房間進(jìn)行撲救，噴灑完畢后空機(jī)返回。

4 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

使用該大載重滅火型消防無(wú)人機(jī)（型號(hào)EH216－F），裝載100 kg水基滅火劑，結(jié)合上述地面站系統(tǒng)輔助瞄準(zhǔn)方法，協(xié)同改進(jìn)了機(jī)載系統(tǒng)及地面控制站的配套功能［15］，并在實(shí)際試驗(yàn)中取得了良好的瞄準(zhǔn)效果。經(jīng)測(cè)試，EH216－F從瞄準(zhǔn)操作的動(dòng)作開始到無(wú)人機(jī)移動(dòng)至最佳滅火工作點(diǎn)的平均時(shí)長(zhǎng)約為15 s，無(wú)人機(jī)到位后噴灑作業(yè)效果能夠覆蓋試驗(yàn)場(chǎng)地房間窗口（圖7）。操作員通過視頻信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火場(chǎng)信息，經(jīng)幾步簡(jiǎn)單點(diǎn)擊操作節(jié)省了作業(yè)過程中大量寶貴的調(diào)整時(shí)間，降低了操作員在操作大載重?zé)o人機(jī)時(shí)的工作負(fù)荷，提升了滅火型消防無(wú)人機(jī)在運(yùn)行時(shí)的安全性及可用性。試驗(yàn)證明了該消防無(wú)人機(jī)地面站輔助瞄準(zhǔn)方法總體架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作功能正常［16］。

圖7 地面控制站界面及作業(yè)試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)高層建筑滅火救援的痛點(diǎn)與難點(diǎn)，總結(jié)消防無(wú)人機(jī)存在的應(yīng)用問題：滅火救援的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)使用遙控器進(jìn)行瞄準(zhǔn)操作，通過實(shí)時(shí)圖像與目視對(duì)比進(jìn)行微調(diào)，全過程均極依賴操作員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，面對(duì)高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)易產(chǎn)生偏差。據(jù)此本文提出了一種通過地面控制站輔助瞄準(zhǔn)方法的設(shè)計(jì)研究。構(gòu)建一種無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，并利用環(huán)境感知系統(tǒng)與地面控制站的功能結(jié)合，根據(jù)攝像機(jī)成像原理通過地面控制站人機(jī)交互界面中對(duì)瞄準(zhǔn)方位的記錄，推算瞄準(zhǔn)方位夾角；操作員在地面控制站觀測(cè)環(huán)境感知數(shù)據(jù)并設(shè)定建筑外立面輔助線，由地面控制站計(jì)算瞄準(zhǔn)點(diǎn)位與無(wú)人機(jī)當(dāng)前距離；根據(jù)無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)有效距離換算無(wú)人機(jī)最佳作業(yè)點(diǎn)位，并將控制指令發(fā)送至無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)。在實(shí)機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了良好的瞄準(zhǔn)效果，整機(jī)平均移動(dòng)時(shí)長(zhǎng)15 s。有效節(jié)省了作業(yè)調(diào)整時(shí)間，降低操作人員工作負(fù)荷，取得令人滿意的結(jié)果。