新型無人機消防救援系統的設計研究

摘要：在消防領域使用無人機，可以準確定位事故位置、快速獲取現場的相關數據，能夠極大的提升消防工作的效率。本文提出一種新型的新型無人機消防救援系統的設計方案，通過模塊化的設計，使其能夠迅速定位火點、快速采集火場信息、縮短救援時間、提升救援效率。

關鍵詞：新型無人機;消防救援系統

一、無人機消防救援系統的意義

當前，火災的發生率越來越高，而火災的撲救難度也逐漸上升，當前雖然具有一些能夠投入使用的消防系統，如防火分區系統、防火栓滅火系統、火災自動報警系統等，但這些系統就有較強的滯后性與局限性，不足之處較為明顯。當前火災救援的難點就在于怎樣能夠及時、準確的掌握火場單位相關情況，從而能夠快速的做出消防部署。

近年來無人機的發展迅速，被應用到多個領域，其靈活性與機動性能夠打破地形的限制，快速到達各個位置。因此，在消防工作中引入無人機，能夠充分利用無人機的特點，快速抵達火災現場，準確監測現場情況，能夠支持消防人員第一時間了解火情，快速做出最正確的決策，提高消防效率。

二、無人機消防救援系統設計總體方案

新型無人機消防救援系統包含四個模塊，分別是無人機飛控系統、機體結構系統、信息采集傳輸系統以及救援系統。其中無人機飛控系統、機體結構系統以及救援系統是結合消防特殊的使用場景，對現有產品進行篩選與靈活組合最終得到最適合本方案的產品[1]。該系統方案最重要的環節就是信息采集傳輸系統，系統實現應用聯調設計。

1.無人機飛控系統

無人機飛控系統可以理解為是無人機的大腦，通過無人機飛控系統來指揮無人機進行起飛、轉向、飛行、著落等一系列的動作，因此無人機飛控系統的穩定性至關重要。通過篩選對比多種方案，在飛控系統設計中采用大疆多旋翼飛行控制器搭載NEO-M8N GPS模塊相對較好。這種設計對大疆飛行控制系統的ALL-in-One理念進行了集成，既在一個模塊中集成了控制器、減震設計、加速度計、陀螺儀以及氣壓計從而實現飛行控制功能，如姿態鎖定、高度鎖定等。此外，由于NEO-M8N GPS模塊中采用的UBX協議，可以加強無人機定點懸停功能，這也使無人機的操控難度大大降低，也能及時的發送定位信息輔助救援任務的開展。經過對無人機飛控系統的調整測試優化后，能夠在姿態、手動、GPS模式之間自動切換，讓無人機的飛行更加穩定，也更好的為救援系統做好了前期鋪墊工作。

通過飛控系統能夠讓無人機對信道進行實時調整，使其保持在穩定信道，進而增強的無人機抗干擾能力。大疆Naza-M Lite系統采用PID算法對無刷電機進行控制，再利用NEO-M8N GPS模塊生成的定位信息對無人機當時的飛行姿態進行計算與分析，姿態解算單元采用PID算法生成控制量，再由飛控系統將其發送到遙控器上。無人機的操作人員就可以利用接收到的飛行狀態信息利用遙控機對無人機發送遙控指令，以此來控制無人機的角度。飛控系統和遙控器能夠支持2.4赫茲與5.8赫茲的雙頻通信，能夠智能識別飛行過程中的通訊質量，當通訊質量差時，能夠及時調整到穩定信道，通過這種方式來對抗外界干擾。

2.機體結構系統模塊

由三個及以上的螺旋槳組成的無人機叫做多旋翼無人機，最常見的是四旋翼無人機，由四個螺旋槳高速旋轉產生的拉力能夠實現無人機的垂直起降。改變旋翼的轉速和扭力能夠實現低空飛行、垂直升降、原地打轉、空中懸停等動作，這也符合了消防救援對無人機的特定需求。

共軸雙旋翼無人機，就是通過在一個軸上安裝兩個反方向轉動的螺旋槳，同軸上對兩個電機的連接采用相反的方式，且將上方的升力調整略大于下方，這樣既保證了無人機的靈活程度，又能提升一倍的升力，這樣就能夠搭載更多的救援設備[2]。

在機架的選擇上可以采用ZD550機架。該機架材料是碳纖維，質地輕、強度高、成本低、可折疊，同時搭配40A電調、400kV無刷電機、14寸螺旋槳，可以做多提供5kg的載重，在不同救援環境、救援需求下都能提供滿足需求的救援設備。考慮到無人機在火場中對溫度有特殊需求，因此，采用3S-3300mAh航模電池要比燃料驅動更合適，既能夠保證無人機的載重與續航能力，又很環保。

3.信息采集傳輸模塊

該系統組成包含了檢測裝置、控制模塊、供電單元以及通信模塊四部分。其中主控硬件電路為基于 ARM Cortex-M 內核的STM32F103RCT6最小系統;系統中電源為3.3V，由AMS1117-3.3的穩壓芯片提供;外界晶振由8 M 的無源晶振與電容構成;復位電路由電阻和電容組成。以上就是ARM 芯片的最小系統構成要素。設計時，在電源部分串聯一個0.1μF 瓷片電容作為濾波能夠起到穩定電壓的作用。

網絡接入芯片采用ESP8266無線通信模塊，能夠實現全雙工通信方式的組網。檢測裝置主要是對空氣中火災常見有害氣體進行檢測，由溫感傳壓器、氣體檢測模塊等構成，火場的壓強、溫度數據則是由穩壓傳感器提供。

檢測裝置是通過集成電路總線將現場環境參數傳送到主控器，在經過主控器處理后通過無線網絡發送到終端設備，再利用終端設備制定救援方案，租后操控救援設備開展救援工作。

該系統通過無線通信網絡實時傳輸無人機采集到的數據，能夠幫助消防人員快速做出決策。由于無線網傳輸距離長且受環境干擾小，因此適應多種復雜情況，保證無人機能夠正常工作。

4.救援系統

新型無人機采用可拆卸、可替代的方式，滿足不同設備的搭載需求以及對不同情況火災事故的應對能力，擴大無人機的使用范圍，提升無人機靈活性。對于城市火災，無人機可以更快的到達現場，實現第一時間營救;對于森林火災以及其他類型的火災，可以搭載大型滅火彈或者對應的滅火裝備進行救援，還能搭載呼吸面具、揚聲器等設備。

結束語

新型無人機消防系統能夠有效提高消防救援的效率與能力。因此，我們要進一步優化無人機消防救援系統的各個模塊，讓其能更好的發揮消防作用，減輕人員傷亡，降低財產損失，更好的保護人民的財產與生命安全。

參考文獻：

[1]于昕民， 許謹， 郭豐偉，等. 基于無人機的消防滅火系統設計[J]. 中國科技信息， 2020， No.621（02）：78-79.

[2]童長鑫，林金生. 探討新型智能化設備在消防救援中的應用[J]. 低碳世界， 2020， v.10;No.208（10）：199-200.

作者簡介：韓百軍，出生于1981年2月，男，漢族，籍貫（山東滕州，學歷本科，職稱助工，研究方向消防救援作戰訓練。

自貢市消防救援支隊 四川 自貢 643000