多旋翼無人機在災害現場救援中的應用

楊薇霖 周巍

摘? 要：災害事故救援活動中搶救生命是首要任務，但復雜的現場環境給搜救工作帶來阻礙，多旋翼無人機作為新型智能救援產品，具有技術先進、操作簡單、成本低等優勢，搭載各種傳感器后具有災情航拍、生命探測、運送物資等救援能力，是前景廣闊的航空救援力量。

關鍵詞：多旋翼無人機;生命探測;應急救援;傳感器

中圖分類號：V19 ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0179-02

Abstract： Saving lives is the primary task in disaster and accident rescue activities， but the complex on-site environment hinders the search and rescue work. As a new type of intelligent rescue products， multi-rotor UAV has the advantages of advanced technology， simple operation and low cost. Equipped with a variety of sensors with disaster aerial photography， life detection， delivery of materials and other rescue capabilities， this product is a promising force for aviation rescue.

Keywords： multi-rotor UAV; life detection; emergency rescue; sensor

引言

我國是一個多災害國家，地震、泥石流、山體滑坡、建筑倒塌等災害事件時常發生。災害發生后的72小時，發現掩埋下的幸存者并及時救出幸存者是救援人員面臨的重大挑戰。但現實搜救中，救援工作面臨重重困難：災害現場交通、通訊中斷，地形復雜，救援部隊無法第一時間到達重災區域，未能及時掌握前線第一手資料;傳統救援以搜救員、搜救犬為主力，輔以生命探測儀等工具搜索幸存者信息，受生理極限影響搜救區域未能迅速大面積鋪開;災害現場裸露尖銳建筑物、鋼筋及松動建筑物板塊造成的安全隱患較多，易對救援人員及幸存者造成傷害。

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（“UAV”），是利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機，可實現操手遠程控制或由機載計算機自主控制。無人機分為固定機翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機，最早多用于戰場偵察、定位校射等軍事任務。隨著新技術的發展，無人機逐漸應用到民用領域，尤其是多旋翼無人機以其起降不需要專門場地、體積小、操作簡單，搭載多種新型傳感器便能勝任惡劣、復雜、高危環境的優勢，逐漸投入到災害現場救援的應用中。

1 多旋翼無人機的工作原理及優勢

多旋翼無人機，是一種具有三個及以上旋翼軸的特殊的無人駕駛飛行器，通過各軸上的電動機轉動帶動旋翼，從而產生升推力。多旋翼無人機結構簡單，小巧靈活，造價成本低，操縱上可實現垂直起降、穩速懸停，飛行范圍可控，對起降場地和跑道無限制，在復雜環境中還能實現低空飛行又不用考慮駕駛人的安全問題。多旋翼無人機可搭載各種用途的傳感器，變成針對性的實用智能工具。如搭載高清航拍攝像頭，通過搖桿控制調節拍攝角度和距離，可以實時獲取圖像、聲音數據;搭載多用途傳感器，實現獲取信息途徑的智能化，變身行業化應用工具。

2 多旋翼無人機在災害現場中的應用

2.1 航拍災害現場形成圖像分析

地震、泥石流、山體滑坡等大型災害現場，現場地勢復雜，交通中斷，救援隊伍第一時間靠人力往往難以全面收集災況信息，無法為全方位的救災部署提供依據。掌握災害現場具體的受災程度，迅速打通生命通道是亟待解決的問題。多旋翼無人機搭載高清航拍攝像頭后，可以趕在救援部隊到達之前就開展高空偵查活動，通過遠程實時操控，及時傳回清晰的圖像、聲音數據。通過無人機航拍處理后生成的圖像分析，后臺指揮部可以根據受災輕重區域做出人員調配、物資調度、救援路線的規劃，為科學救援提供精準方案。

如災情評估嚴重，為做好長線救援規劃，還可利用無人機傾斜攝影測量技術生成災害現場的三維分析模型。目前多旋翼無人機傾斜攝影測量技術有了很大突破，通過在無人機同一飛行平臺搭載多個高分辨率鏡頭，完成災害現場區域布點的垂直、傾斜多個角度大規模影像收集，再經過計算機對獲取影像數據的校驗、處理、合成，最后形成逼真的災區三維模型，為災情研判和災后重建工作提供更有力的支撐。

2008年汶川大地震后災區通信中斷，中科院研究隊伍率先嘗試將無人機應用到震中災區航拍，及時獲取封閉地區高精度的災情信息。后來的玉樹、蘆山、魯甸地震，無人機在搶險救災中均有重要的應用，未來無人機將是應急救援中不可或缺的高科技力量。

2.2 巡航探測生命跡象

發現生命跡象及時搶救幸存者是救援工作的首要目標，生命探測儀是目前認為有效且廣泛地用于災害現場搜索生命的救援工具。常見的生命探測儀有聲波振動探測儀、紅外生命探測儀、雷達生命探測儀等。傳統搜救模式是救援人員攜帶生命探測儀近距離接觸災害現場進行救援工作，救援人員勞動強度大，且復雜、高危的地形對救援人員的行動造成一定的安全隱患。無人機搭載生命探測儀通過電池補給、多機替換巡查，行動速度快，搶救效率高，還能保障救援人員的人身安全。

（1）多旋翼無人機搭載紅外生命探測儀。紅外生命探測儀是常用的生命探測儀，主要依據感知溫度的差異來區分搜索目標。任何溫度在絕對零度以上的物體都能產生紅外輻射，人體作為天然的紅外輻射源，其恒溫的特性使其發射出的紅外波段具有固定的范圍值，約在3-50μm波段，其中46%的人體輻射能量集中在8-14μm波段。紅外生命探測儀的核心部件由能檢測這個特殊波段的紅外光電傳感器構成，如果找到這個范圍的紅外線，意味著該區域存在幸存者的可能性很大。紅外生命探測儀還具有夜視功能，不受黑夜、霧霾、濃煙環境的影響。搜救人員能力有限的情況下，使用多旋翼無人機搭載紅外生命探測儀進行生命搜索，能隨時深入能見度低的環境進行長時間工作，既能與死神爭奪黃金救援的每分每秒，又能提高對幸存目標的區域定位，為下一步開展救援提供方向。

（2）多旋翼無人機搭載雷達生命探測儀。雷達生命探測儀是利用多普勒效應來探測生命信息的救援工具，利用電磁波穿透建筑廢墟等遮擋介質對一定近空間進行掃描，接收器接收反射回來的信號并進行智能分析，人體存在呼吸、心跳、移動等微小變化就能被靈敏識別出來，再經過測量計算對幸存者精準定位。雷達生命探測儀不受遮擋物的影響，穿透力強，抗干擾性能好，非常適用于地震、坍塌、建筑物倒塌下的生命救援，是目前最有效最具潛力的生命探測儀。

雷達生命探測儀在復雜災害現場工作時通常劃分區域進行搜索，為達到良好的工作效果，需盡可能地清除劃分區域內的活動人員，以減少外界帶來的干擾。經過無人機飛行的“全局布網”和“二次排查”，計算機仿真軟件及時捕捉多旋翼無人機搭載雷達生命探測儀工作的區域及探測信息，能夠多方位探測幸存者的準確位置，提高了探測精度和搜索速度。

3 多旋翼無人機應急救援中需要提高的技術問題

多旋翼無人機在災害現場應急救援的優勢很多，但也存在一些需要繼續研究改進的問題：

3.1 多旋翼無人機的載重能力

多旋翼無人機的載重能力有限，搭載傳感器等設備的最大重量在5-10kg左右。多旋翼無人機應急救援中需要搭載的傳感器越來越集成化，為了保證“搭配”工作的穩定性，對無人機的載重能力要求越來越高。無人機制造商開始研究采用碳纖維復合材料來生產無人機機殼，與原來的金屬材料機殼相比能達到35%-50%的減重幅度，從而為無人機提高載重能力帶來提升空間。

3.2 多旋翼無人機的續航能力

目前我國無人機主要使用鋰聚合物電池供電，續航能力在30-50分鐘之間，充電超過60分鐘。如果攜帶一定重量的傳感器飛行，續航能力會明顯下降，延長無人機的續航能力是拓展無人機發展前景的門檻。尋找更加持久耐用的電池能源成為亟待攻克的技術難題，科研團隊已經嘗試開發無人機的氫燃料電池、太陽能電池，并研發新的充電模式提升無人機的續航能力。2018年西雅圖WiBotic公司為大疆商用無人機推出了一種無線電源系統，用戶十分鐘內就能安裝好系統對無人機進行充電，便捷實用。這項研發為無人機創新持續續航能力帶來了新思路。

3.3 無人機操手技能水平的提高

多旋翼無人機可通過人為操控和系統自動操控，人為操控要求操手專業技能熟練，反應迅速，同時具有嚴謹操作的職業道德;系統操控要求操手熟識指令操作，無人機出現飛行偏移、失控時能及時排查系統故障。操手就是多旋翼無人機的后方指揮官，還需具有航拍、測繪、救援技能等綜合行業知識儲備。高級無人機操手的培養也是無人機前景發展需要的研究方向。

4 結束語

多旋翼無人機在災害現場應急救援中具有巨大的潛力，多次搶險救災中已經有評價頗高的優異表現。隨著多旋翼無人機載重、續航等短板問題的攻克，與各類新型專用傳感器智能化結合，多旋翼無人機勢必是未來災害現場航空救援的主力軍。

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