關于消防無人機火力控制系統開發的設想

解晨陽 李祺 曹威 任魯哲 楊百川 紀任鑫 黃宇

摘要：近些年，無人機相關技術迅速發展并逐步成熟，無人機的運用日趨廣泛。隨著國家經濟發展，大型火災時有發生。同時，火場內部復雜度、危險度不斷上升。因此，無人機在消防的運用逐步增加。其中，利用無人機攜帶滅火彈對火源實施打擊已成為一種常見的滅火手段。通過對消防救援隊伍使用無人機進行火災撲救方式的調研，了解到現階段無人機攜帶滅火彈進行打擊的精準度并不高，對于打擊時機、打擊位置的把控主要依靠無人機飛手的經驗，易產生較大誤差。因此，開發一種提高無人機帶彈打擊精度的軟件成為當前無人機滅火作戰的迫切需求。現階段，已有多種開源無人機能實現二次開發。同時，DJImobile SDK、DJI Onboard SDK等多種無人機軟件開發平臺也為相關研究提供了便利。本文在查閱文獻資料的基礎上，探討性地提出了消防無人機火力控制系統的開發設想。

關鍵詞：消防無人機;火力控制系統;開發設想

近些年，無人機相關技術迅速發展并逐步成熟，無人機的運用日趨廣泛。隨著國家經濟發展，大型火災時有發生。同時，火場內部復雜度、危險度不斷上升。因此，無人機在消防的運用逐步增加。其中，利用無人機攜帶滅火彈對火源實施打擊已成為一種常見的滅火手段。現階段無人機攜帶滅火彈進行打擊的精準度還有待提高，做好無人機火力控制系統開發是提高無人機攜帶滅火彈打擊精準度的重要一環。火力控制系統開發需要綜合考慮多種物理因素影響，通過數理分析構建模型。在工程應用中還需對已建立模型做一定的簡化處理，同時在數據上可能需要做一定的變換。火力控制系統的開發可分為多個階段，通過以下三個階段完成相關系統的開發：數理模型構建階段、仿真驗證階段、程序開發階段。

一、數理模型構建階段

通過分析無人機在攜帶滅火彈進行火源打擊任務過程中的大氣環境，結合空氣動力學，并加以工程應用方面的數據優化構建數理模型，推算出無人機滅火彈拋擲的最佳位置。

1.坐標系的選取。火力控制理論涉及多種坐標系，例如直角坐標系、機體坐標系、大地坐標系等等，根據任務需求和實際操作性，我科研小組選取大地坐標系為算法的主要坐標系。大地坐標系也稱世界坐標系或當地水平坐標系，在該坐標系中，無人機指向地球正北的方向為X軸，正東的方向為Y軸，X軸與Y軸相互垂直，Z軸豎直指向無人機下方，在滿足“右手法則”前提下，Z軸將根據無人機飛行實際情況調節角度，因此該坐標系也稱為“北-東-地（N-E-D）坐標系”。

2.條件設置。令無人機投彈時初速度為V，投彈位置為P。由于下落時間較短，且投擲滅火彈后，滅火彈軌跡無法再做修正。所以可將任意時刻、任意位置的風速視為不變量，即投彈瞬間無人機所處位置P的風速，以矢量表示為（ ）。假設落體落點為Q，滅火彈下落過程中位于任意一點的速度為V（ ）（參看圖1）。

3.公式引用。式中：C為空氣阻力系數，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風面積），物體光滑程度和整體形狀有關;ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實地監測;S為物體迎風面積;V為物體與空氣的相對運動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數及迎風面積成正比，與速度平方成正比。

4.模型建立（參看圖2、3）。在豎直方向，即Z軸方向，在計算過程中，忽視豎直風速原因：（1）豎直風作用，情況較為復雜。且在運動過程中存在運動狀態突變，不利于計算。（2）常用風速計無法準確測出物體運動狀態下的豎直風力。（3）無人機攜帶滅火彈進行火點打擊的高度較低，相比重力作用，豎直風力作用效果有限。綜上，忽視豎直風速的Z軸模型建立如下：滅火彈在豎直方向下落過程中，受到重力和空氣阻力的共同作用，重力已知為g，我們選取北京重力為參考，即9.8015kg*m/s2。對空氣阻力，有，其中C為空氣阻力系數（由實驗而得），為空氣密度，S為迎風面積，V為滅火彈與空氣相對速度，在這里設空氣豎直方向速度為0。受力分析可知：

對v進行積分可得到下落高度與t的關系：

若再簡化Z軸方向模型，將豎直方向運動簡化為自由落體運動，計算可知不同高度下落時所用時間（下文仿真模擬將豎直方向運動均近似為自由落體運動）。

二、仿真驗證階段

利用matlab對已構建模型進行仿真驗證（詳略）。

三、程序開發階段

基于DJI Mobile SDK進行程序開發。DJI Mobile SDK縮寫為MSDK，是一款軟件開發套件，旨在讓開發者能訪問DJI無人機和手持相機產品的豐富功能。該SDK包括：可導入Android或iOS應用程序的 庫/框架，用于訪問DJI產品的功能飛行模擬器和可視化工具適用于iOS的調試工具和遠程logger示例代碼和教程、開發者指南和API文檔。通過DJI Mobile SDK進行編程，利用數據的實時交互性，開發出一款可實時計算無人機攜帶滅火彈最佳打擊位置的程序。通過可視化技術，為使用者呈現一個較為友好的操作界面：（1）實時數據的獲取。通過MSDK所附加的廣播與訂閱功能獲取算法所需要的無人機相關的實時數據。考慮到氣象條件的實時變化，相關數據的刷新頻率定為3Hz。（2）數據的傳輸。通過編寫一套基于Java語言的程序將所訂閱的無人機數據信息轉變為txt文本格式，以無線局域網為媒介，將數據信息輸入電腦。通過C++編寫算法得出計算結果。

四、結語

無人機在應急救援運用不斷推進。科學合理使用無人機參與應急救援可以最大程度減少人員傷亡、經濟損失，提高救援效率。通過對于無人機火力控制系統的開發，可以提高滅火打擊精度，并在一定程度上取代人力撲救，對于滅火實戰具有重大意義。

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作者簡介：解晨陽（2001-），男，漢族，安徽滁州人，主要研究方向：飛行器控制與信息工程。