基于視覺定位的森林火災(zāi)防控一體化飛行平臺(tái)

摘 要：本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套基于視覺定位的森林火災(zāi)防控一體化飛行平臺(tái)。平臺(tái)包括梯形機(jī)翼、倒V型尾翼設(shè)計(jì)的固定翼垂直起降無人機(jī)、新型滅火彈和森林火點(diǎn)定位系統(tǒng)，可有效識(shí)別、定位、打擊早期森林火情。

關(guān)鍵詞：森林火災(zāi)防控；無人機(jī)；視覺定位；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 作品介紹

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于視覺定位的森林火災(zāi)防控一體化飛行平臺(tái)。其中包括梯形機(jī)翼、倒V型尾翼設(shè)計(jì)的固定翼垂直起降無人機(jī)、新型滅火彈和森林火點(diǎn)定位系統(tǒng)，可有效識(shí)別、定位、打擊早期森林火情。

2 技術(shù)原理

飛行平臺(tái)整體采用常規(guī)式氣動(dòng)布局，運(yùn)用垂直起降和無線充電技術(shù)，在維護(hù)、偵察、警報(bào)、打擊的全流程中具有高度自動(dòng)化能力。該飛行器采用ABAQUS軟件對(duì)機(jī)翼復(fù)合梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，采用XFLR5對(duì)外形布局進(jìn)行基本設(shè)計(jì)；同時(shí)使用ANSYS仿真優(yōu)化飛行器氣動(dòng)外形，在制造工藝上采用一體式成型制造，大量采用基于酚醛樹脂基體的碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。此外翼身上表面覆蓋太陽能電池板，采用鋰聚合物電池和太陽能電池雙動(dòng)力來源，從能源、增升、減阻、減重多角度實(shí)現(xiàn)其載重能力和續(xù)航能力的突破。

本團(tuán)隊(duì)開發(fā)了機(jī)載火點(diǎn)定位算法，設(shè)計(jì)了火點(diǎn)特征提取算法和Mask火點(diǎn)圖像過濾算法，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行過濾，在剔除森林特征后，對(duì)于剩下的部分再進(jìn)行Canny輪廓提取算法、Douglas-Peucker輪廓擬合算法和輪廓發(fā)現(xiàn)與定位算法，即可完成對(duì)森林火點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和精確定位；最后通過像素面積計(jì)算并與原圖像進(jìn)行分析和比較，篩選評(píng)定出最終的定位結(jié)果。

基于熱電偶的雙控式分瓣滅火彈設(shè)計(jì)中，彈體由彈頭、機(jī)械引信、彈身、電雷管、柔爆索、彈身基座、穩(wěn)定桿、尾翼等部分構(gòu)成。綜合考慮滅火彈的飛行速度、射程和飛行穩(wěn)定性，選取了小阻力彈頭長度，彈頭外形設(shè)計(jì)為Von Karman曲線型，小阻力彈頭長度降低了空氣阻力和渦阻，有利于飛行的穩(wěn)定。彈身主要用于裝填滅火劑，安裝機(jī)械引信；彈身為圓柱形，長35 mm，直徑10 mm。在保持無人機(jī)飛行穩(wěn)定、攜帶輕便的同時(shí)，盡可能地增大了滅火劑的填裝容積，擴(kuò)大了滅火劑的拋撒面積，提高滅火效率和滅火質(zhì)量。

機(jī)翼翼形采用的NACA4412，飛行器巡航的環(huán)境為海拔0～3 km，飛行速度在0～50 m/s，距地面高度在1 km以內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，上述條件下飛行器雷諾數(shù)變化范圍在5×104～1×106之間。該范圍內(nèi)中，該飛行器都可以穩(wěn)定提供升力。飛行器使用碳桿支撐倒V型尾翼的結(jié)構(gòu)布局，用以消除飛行器的中后段機(jī)身產(chǎn)生的粘滯阻力。

機(jī)載視覺定位算法基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，所選用訓(xùn)練集為10 000張森林火災(zāi)照片；測試集為1 000張人工標(biāo)定的森林火災(zāi)正負(fù)樣本。經(jīng)檢測，算法識(shí)別十分穩(wěn)定，識(shí)別精確度達(dá)到97%以上。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

本作品的創(chuàng)新點(diǎn)包括以下三方面：（1）無人機(jī)平臺(tái)主要由復(fù)合材料一體化成型，表面光潔、氣動(dòng)性能優(yōu)異；雙動(dòng)力設(shè)計(jì)突破原有續(xù)航瓶頸，搭載具備高容低阻聚合物鋰電池、太陽能電池板以及自動(dòng)巡航和無線充電技術(shù)的固定翼垂直起降系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)、偵查、警報(bào)、打擊全流程自主高效運(yùn)作。（2）機(jī)載滅火彈采用拉發(fā)式分瓣式設(shè)計(jì)，搭載有基于熱電偶控制的保險(xiǎn)裝置，即滅火彈采用雙控（拉發(fā)式+熱效應(yīng)）式控制；采用超細(xì)干粉滅火劑，其ODP值、GWP值均為零。（3）利用基于OpenCV的圖像反向直方圖投影識(shí)別算法+HSV火焰顏色分析算法+深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)火源識(shí)別進(jìn)行訓(xùn)練，以適應(yīng)多場景下火源識(shí)別問題。多種方式同步對(duì)火源目標(biāo)進(jìn)行匹配，具有對(duì)火點(diǎn)識(shí)別精度高、不同工作環(huán)境下環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

森林地理環(huán)境復(fù)雜，山高林密，信號(hào)容易被遮擋。利用無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載中繼通信設(shè)備，可保證通信鏈路暢通，利于快速搭建覆蓋任務(wù)區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，既可滿足各級(jí)指揮員的火場信息需求，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場單兵攜帶平板設(shè)備共享林火動(dòng)態(tài)信息的功能。