面向場景識別的復合式水陸兩棲消防無人機概念設計

孫宇昂

摘要：針對目前農村消防存在的設施落后，應急能力不足，交通落后等問題，提出了通過消防無人機進行火災防控的方法。該方法通過設計具備場景實時識別和預測能力的復合式水陸兩棲無人機，并建立完善的無人機指揮調度網絡系統，為農村的火災防控提供技術支持與參考。

關鍵詞：復合式無人機;水陸兩棲;人工智能

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.096

隨著農村生活水平和生活質量的提高，農村的用電、用氣、用火頻率大大升高，但是由于缺乏必要的火災防控措施，加上交通不便，村民消防意識淡薄，火災防控能力薄弱，致使火災對農村居民的財產及生命安全造成重大威脅。2001年9月11日，廣西江縣富祿鄉高安村發生火災，致使經濟損失高達3263萬元。目前針對農村防火，已有的解決方案主要為：（1）加大宣傳力度，提高村民消防意識;（2）完善農村消防組織。已有的解決方法具有解決消防問題的能力，但是具有落實困難，實施周期長以及受村民主觀意識影響嚴重，同時需要消耗大量的人力物力，此外，仍然受交通和地形嚴重限制。而消防無人機已經在大量的消防救援中體現了其相應快速，安全可靠，耗費人力少的明顯優勢。本文提出的復合式無人機具有垂直起降和水陸兩棲功能，對復雜地形具有極高的適應性，實時場景識別與預測系統結合人工智能使無人機的后臺指揮效率大大提高。同時，結合完善的調度站系統，能夠實現快速響應，精確打擊以及低損耗。該方案可以大大解放人力，具有落實簡單，實施時間短，安全性高的特點。本文將從無人機氣動外型，結構設計，操控系統以及調度站網絡系統方面進行論述。

1總體氣動布局

飛行器總體采用復合式布局，布局形式如下：在機體上方布置特型旋翼，機體中部布置固定翼（后文簡稱為機翼） 及舵面，并在機翼上布置矢量推力裝置，由中央動力系統經傳動系統分配動力，機身尾部布置尾翼及舵面。飛行器起飛過程分為垂直起降狀態，過渡狀態和平飛狀態。過渡狀態時，由垂直起降過渡為平飛狀態時矢量推動裝置推力增大，在機身重量逐漸由機翼承擔時，特型旋翼轉速逐漸減緩直至鎖死。由平飛模式轉變為垂直起降模式時，矢量推動裝置推力下降，機身重量轉至特型旋翼，同時特型旋翼逐漸加速，至完全承擔機身重量。該設計的技術優勢是與CRW飛行器具有相似的布局形式。這樣的構型特點使得高速飛行時升阻特性和動力系統的推進效率高于高速直升機和傾轉旋翼機，具有更寬的飛行包線，同時升力和水平推力控制解耦，可實現平穩的過渡轉換飛行。與傾轉旋翼機相比，復合式無人機具有更高的安全性與穩定性，而與美國的鷂式等垂直起降的固定翼飛行器相比，復合式無人機具有更高的懸停效率，極有利于應對定點的火災撲滅。

復合式無人機技術由成熟的直升機技術和固定翼飛行器技術整合而成，具有極高的可行性，無人機總體氣動布局為旋翼固定翼復合布局，其中固定翼選用單翼布局，旋翼選用單旋翼布局，分別在平飛模式和垂直起降模式提供主要升力。故旋翼沿機身縱軸布置于重心位置，位于機翼上方。為減少結構質量，尾翼選取V型尾翼布局，布置于旋翼滑流之外。兩個矢量推力裝置布置于機翼后緣，綜合考慮結構設計和滑流干擾的影響，推進裝置沿展向布置于旋翼滑流影響區域外。復合式設計的技術優勢使本文設計的無人機擁有極高的環境適應能力，足以應對偏遠山村的火災撲滅。儲水系統采用背負式水箱設計，機身使用船身式設計，同時機翼下方加裝浮筒，飛機相關設計參數如表1。

飛行器的飛行任務剖面圖涵蓋飛行器起飛、爬升、過渡、巡航、任務執行、下降、著陸的整個過程。根據任務需求分為兩種情況：一次性滅火和多次滅火的飛行任務，如圖1-2所示。圖1為滅火彈一次性滅火任務剖面圖，圖2是滅火彈與水相配合多次滅火任務剖面圖。

2火場偵察預測系統

大量消防無人機在應對火場救災時收集信息大多為后方控制人員提供輔助，大量的時間和人力被用于對火場形式的判斷和分析上，而農村火災因為農村建筑物布局的不合理以及存在大量木質結構，極易蔓延，同時部分農村處于森林附近，失去控制的火災極易引發森林火災。因此，使用計算機代替人員進行決策是十分必要的，人工智能和相關火災學的進步也為其提供了有利的技術支持。

無人機通過搭載可見光相機和紅外線攝像機，收集火場發展動態，同時配合數據庫中相關數據，結合計算機構建模型可以實現有效的對火災蔓延趨勢的判斷和預測，實現無人機的火場場景純自動化構建與動態預測，可以大大節約人力成本，并為火災撲滅提供寶貴的時間。目前應用廣泛的是Rothermel模型，他在芬特遜研究的基礎上于1972年提出如下的蔓延模型。

R=Ir*F（1+5w+s）/（Qb*E*Qig） （1）

式中R為火蔓延速度，Ir為火反應強度，F為與熱傳播有關的系數，w和s分別為風和地形坡度數，Qb為可燃物復合體烘干后的體密度，E為與體密度有關的加熱系數，Qig為點燃單位重量可燃物需要的熱量。同時，結合人工智能的學習能力，對火災后收集的信息進行分析與整理，可以實現應對不同火災情況時的火源精準打擊，大大提高無人機火災撲滅效率。無人機通過搭載可見光相機和紅外線攝像機，配合計算機進行火災發生范圍，火場發展動態分析，高光譜成像儀，為災后損失評估提供參考。

3水陸兩棲結構起降系統

假設無人機所處位置擁有較多的天然湖泊、河流或者水庫，在無人機單次投放滅火彈無效時，可以考慮通過就近取水實現進一步的火災撲滅。因此，水陸兩棲的必要性十分重要，采用船身型設計并在機翼下方搭載浮筒，使無人機在最大起飛重量的情況下也可以保證飛機吃水線的穩定。浮筒浸入水下部分通過水泵抽取水源并輸送至無人機背部水箱。浮筒可收入機艙內部以保證氣動外型，減小阻力，水面著陸時，無人機由平飛轉至垂直起降模式，浮筒伸出，起飛時，為應對大幅度增加的重量，矢量推動裝置配合特型旋翼同時加速，無人機經過短距離滑行后離開水面。為應對機場著陸，在機身兩側以及前部安裝起落架，起落架在續航以及水面著陸時收入機艙內部。機場著陸時，機翼下方浮筒收回，起落架展開，無人機垂直降落。水陸兩棲使無人機具有更高的環境適應能力，應對復雜著陸環境時具有無可比擬的優越性。

4調度站網絡系統

為應對散點式分布的農村布局，實現短時間內的火災撲滅，需要建立完善的無人機調度站系統，實現區域的全覆蓋。調度站擔任以下職能：（1）為無人機提供日常修理，維護與著陸場所;（2）儲備救火必需物資;（3）三座調度站配合全球衛星導航系統實時定位無人機位置，確保農村信號不穩定情況下的航向無誤;（4）中心調度站負責無人機指派任務。中心調度站委派任務依據就近原則，同時較遠的下屬調度站實時待命，遭遇特大型火災時待命無人機視情況參與救援。調度站基本流程如圖3。流程圖包括由安裝于村莊的火災警報器發出火警信號，火警信號被中心調度站接收后按就近原則向下屬調度站發布任務部署，下屬調度站派出無人機執行任務，并收集實時信息進行數據收集，較遠下屬調度站處于待命準備狀態，隨時根據火情和無人機狀態參與救援。

調度站采用六邊形的嵌套作為分布規律，首先以位于大城市的中心調度站向外分布出六邊形責任范圍，位于六邊形定點的為位于縣城的縣級中心調度站，輔助位于中心城市的中心調度站進行下屬調度站任務部署，由縣級中心調度站再向外輻射出六邊形責任范圍，六邊形頂點為下屬調度站，各個六邊形實現相互嵌套，足以確保任何著火點至少有兩個以上的調度站負責，確保火災的有效撲滅，分布示意圖如圖4所示。

圖中乙為位于中心城市的中心調度站，丙為縣級中心調度站，甲為下屬調度站。六邊形嵌套模型為理論形式，實際分布情況需要結合地區實際情況進行設計。

5安全性分析

飛行器執行任務時，安全性是處于首位的，尤其是處于山區中執行火災撲滅工作。山嶺對飛行器的安全性造成極大的威脅，采用無人機執行任務從根本上杜絕了人力的損失。無人機采用復合式設計，具有垂直起降能力，具有對山區環境較強的適應性。水陸兩棲設計，為無人機提供了優異的緊急迫降能力。

調度站的網絡系統實時收集天氣情況，對無人機進行信息支持，以應對氣候多變山區地區的特殊情況。衛星導航系統為消防無人機提供較為精確的導航信息，調度站構成的網絡系統提供測距無線電導航，同時飛行器自身配備慣性導航和圖形匹配導航系統，實現山區信號不穩定情況的自主導航。多導航系統的相互配合大大提高飛行器的導航精度和可靠性，保障飛行器安全。先進的計算機系統和自動避障算法為飛行器提供了優異的避障能力，足以應對山區復雜的地形，確保無人機的安全。

6結論

本文針對農村由于交通不便和消防設施落后導致的火災撲滅困難問題，提出了通過無人機進行火災撲滅的方法，針對該目標設計了面向場景實時識別的復合式水陸兩棲無人機的概念設計。該飛行器在動力系統上仍然采用傳統的燃油作為動力，總體布局采用復合式設計，具有懸停效率高，巡航速度快的優勢。火場場景的實時識別與預測確保了滅火任務的高效率與精準性。多導航系統的配合，確保了飛行器的導航精度，提高了飛行器的安全性，并使其具有應對多山地區的能力。水陸兩棲設計使無人機具有降落于水面取水或緊急迫降的能力，另外，本文提出的調度站網絡系統，實現以城市為中心的周邊農村全覆蓋，確保對絕大部分農村火災的高效率，高精度滅火打擊。本文設計的消防無人機及消防方案為農村的消防工作提供了技術支持與參考。

參考文獻

[1]張嘯遲，萬志強，章異贏，等.旋翼固定翼復合式垂直起降飛行器概念設計研究[J].航空學報，2016，37（1）：179-192.

[2]Rothermel R C.A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels[J].Usda Forest Service General Technical Report，1972：115.

[3]袁春明，文定元.林火行為研究概況[J].世界林業研究，2000，13（6）：27-31.