城市突發(fā)性公共事件中多無人機協(xié)同監(jiān)測關鍵技術研究

摘 要：城市中的基礎設施建設日益密集，雖然便利了經(jīng)濟發(fā)展和日常的生產(chǎn)生活，然而也給城市公共安全、市政、交通等造成了一定的安全隱患和脆弱性。城市突發(fā)各類公共事件的過程中，應該采取無人機協(xié)同監(jiān)測的方式，及時發(fā)出相關的預警信息。文章重點分析了城市突發(fā)性公共事件中多無人機協(xié)同監(jiān)測的關鍵技術。

關鍵詞：城市突發(fā)性公共事件;多無人機協(xié)同監(jiān)測;關鍵技術

無人機在監(jiān)測和處理各類突發(fā)性公共事件時，主要發(fā)揮了下列作用：首先它能夠快速響應，及時到達公共事件的發(fā)生現(xiàn)場，及時進行作業(yè)。其次，它能夠充分而完整地采集現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，向指揮中心傳輸現(xiàn)場的各種音頻、視頻、文字和圖像等各類信息，讓指揮者做出正確的決策和判斷。第三，它可以發(fā)揮自身的通信中繼功能，及時恢復公共事件發(fā)生現(xiàn)場的局部性通信環(huán)境。第四，對事件的具體發(fā)展態(tài)勢進行跟蹤，協(xié)助指揮中心持續(xù)地處理指揮公共事件的相關問題。第五，它能夠參與到災后重建過程中，為其提供氣象、地理、人口分布等多方面的信息。

1 研究思路以及研究內容

本課題把景德鎮(zhèn)學院之前研發(fā)出來的2-3架某型旋翼無人機當作科研平臺，全方面采取嵌入式電腦技術以及數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、導航控制系統(tǒng)、任務規(guī)劃系統(tǒng)以及GPS設計飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)。充分地發(fā)揮電腦視覺處理技術的優(yōu)勢，實時在線感知多無人機的飛行環(huán)境狀態(tài)，多無人機在飛行過程中自主規(guī)劃協(xié)同航跡，獨立地執(zhí)行飛行任務，安排多無人機針對火災以及突發(fā)事件進行應急監(jiān)測，開展全方位的自主飛行試驗，以使多無人機在面臨復雜的城市環(huán)境下，做好協(xié)同應急事件的應急監(jiān)測、救援、指揮等多種任務。

本文的重點研究內容如下所示。首先，筆者采取了多無人機協(xié)同災害應急監(jiān)測飛行控制策略，本課題的相關研究采用了景德鎮(zhèn)學院研發(fā)的某型旋翼無人機，建立以及設計多無人機旋翼式協(xié)作平臺，設計了針對性的研制飛行控制電腦系統(tǒng)，建立了機載多傳感器系統(tǒng)，組建了地面站系統(tǒng)，采取了協(xié)同飛行控制策略。其次，使用多無人機，研究了協(xié)同災害應急監(jiān)測的相關任務分配技術。它在協(xié)同災害應急救援的過程中，最核心的任務是跟蹤以及監(jiān)測突發(fā)事件中的相關環(huán)境。從整個過程來看，多無人機要組織自己的隊形，從而達到上述監(jiān)測目標。分析了協(xié)同任務分配決策的相關算法，協(xié)同報警確認技術以及協(xié)同探測算法。再次，在多無人機協(xié)同平臺上，使用多無人機，開展了驗證了協(xié)同災害應急監(jiān)測的相關實驗。借助多無人機協(xié)同探測技術，演示和驗證了應急救助、監(jiān)測地震、火災等各類突發(fā)事件的實驗。

2 多無人機協(xié)同監(jiān)測技術

從城市的復雜環(huán)境來看，單架無人機平臺只能發(fā)揮非常小的效能，結合突發(fā)公共災害的應急指揮以及監(jiān)測，單個無人機根本無法持續(xù)地檢測大面積的區(qū)域。單架無人機本身掛載的傳感器缺乏良好的性能，一般情況下只能得到有限范圍的相關目標信息。和單架無人機相比，多無人機協(xié)同執(zhí)行監(jiān)測任務，優(yōu)勢是非常顯著的。它可以從整體上強化無人機的配合，進而增強它完成監(jiān)測任務的水平和質量。其次，它能夠共享各自的信息以及資源，提升執(zhí)行任務的水平和能力。第三，多無人機協(xié)同執(zhí)行任務，可以壓縮完成任務所需要的時間，提升執(zhí)行任務的實效性。第四，在某架無人機發(fā)生故障的情況下，能夠重新分配監(jiān)測任務，提升了任務成功的可能性。

3 自主任務規(guī)劃系統(tǒng)設計

多無人機協(xié)同飛行中，應該具備較強的實時在線重新規(guī)劃以及規(guī)劃的能力，如此以來它才可以更有力地應對復雜的城市環(huán)境。這也是多無人機自主飛行控制系統(tǒng)務必要具有的性能，事實上它是多無人機協(xié)同飛行過程中必不可少的決策過程。

系統(tǒng)應該按照在線探測到的城市空中環(huán)境的具體變化，近乎實時或者實時地進行修改、規(guī)劃、決策系統(tǒng)的相關目標以及任務，獨立地生成能夠完成目標的相關飛行軌跡，按照可行性較強的飛行軌跡和當前飛機的具體狀態(tài)，產(chǎn)生相應的調度以及制導指令，對飛機精確跟蹤產(chǎn)生的軌跡進行控制，以完成自主決策系統(tǒng)規(guī)定的非性任務。

4 多無人機協(xié)同區(qū)域監(jiān)測技術設計

本課題的主要背景是城市復雜化的客觀化環(huán)境下，以多無人機對這些區(qū)域進行協(xié)同監(jiān)測問題為目標，在融合多源圖像信息的情況下，把協(xié)同搜索策略引入到模糊聚類方法中，設計的多無人機協(xié)同搜索策略以模糊聚類基礎。這種協(xié)同搜索策略是以空間分解以及空間縮減為基礎，它的主要思想是，在多無人機協(xié)同搜索方面引入模糊數(shù)學，把目標區(qū)域的相關單元格以空間位置以及關聯(lián)壽命作為相應的特征矢量，在此基礎上開展相應的聚類劃分，它削減了無人機的實際轉場次數(shù)，壓縮了搜索代價的無功消耗，搜索性能得以提升。

5 旋翼式多無人機城市復雜環(huán)境突發(fā)事件應急監(jiān)測技術研究

本項目也利用多無人機，針對城市復雜環(huán)境下發(fā)生突發(fā)事件的情況，安排無人機進行自主飛行試驗，以進行應急性監(jiān)測。

課題組采取了多無人機攜帶攝像機以及照相機，開展相應的航空攝影，采集相關的環(huán)境圖像，而且可以實時監(jiān)控地面環(huán)境，借助現(xiàn)代圖像處理技術，跟蹤以定位突發(fā)事件的具體發(fā)展態(tài)勢。其次，可以采取多無人機中的攝像頭、環(huán)境傳感器化學物品檢測儀以及可燃氣體傳感器等，探查突發(fā)事件環(huán)境區(qū)域的環(huán)境參數(shù)、地形、特定化學氣體的濃度以及可燃氣體濃度等，而且能夠回傳相關數(shù)據(jù)。

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作者簡介：肖祖銘（1978-），男，漢族，江西萬安人，碩士，副教授，研究方向：電子、通信。