無人機(jī)技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用

趙 彥

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

1 無人機(jī)技術(shù)概述

無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，是由自身程序控制裝置或無線電遙控設(shè)備控制的無人駕駛飛行器，通常由地面站設(shè)備（任務(wù)控制、發(fā)射回收、無線電控制）、有效負(fù)荷以及無人機(jī)載體3部分構(gòu)成。最早作為訓(xùn)練用的靶機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。無人機(jī)按照用途、飛行半徑、總體結(jié)構(gòu)及航程等特點(diǎn)可以分為不同種類：按總體結(jié)構(gòu)，可分為固定翼、垂直旋翼、傾斜旋翼無人機(jī)；根據(jù)活動半徑及航程，無人機(jī)可分為近程、短程、中程及遠(yuǎn)程4類；根據(jù)用途，無人機(jī)分為軍用和民用兩大類型。

我國無人機(jī)發(fā)展始于20世紀(jì)50年代末。20世紀(jì)60年代后期研制出長空-1靶機(jī)、無偵-5高空照相偵察機(jī)以及D4小型遙控機(jī)系列，并建立以高等學(xué)校為基礎(chǔ)的無人機(jī)研究機(jī)構(gòu)。目前，我國民用無人機(jī)的種類較多，包括旋翼無人機(jī)、飛艇無人機(jī)以及固定翼無人機(jī)等各種機(jī)型。經(jīng)過近幾年電子通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)目前憑借其輕便的優(yōu)勢已應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、水情監(jiān)測、救災(zāi)等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

目前無人機(jī)已發(fā)展到能夠自行運(yùn)作的程度，具有小巧、方便等特點(diǎn)，能夠穿越大山、河流，通過巡線系統(tǒng)對通信線路進(jìn)行高效、迅速的偵察，且成本低廉，在通信救災(zāi)、高速公路管理、應(yīng)急救援、森林防火以及地質(zhì)測量等領(lǐng)域的應(yīng)用成果顯著。

2 無人機(jī)功能架構(gòu)

無人機(jī)系統(tǒng)由飛行器、控制站以及通信鏈路組成。飛行器由飛行平臺、動力裝置、導(dǎo)航飛控、電器系統(tǒng)及任務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成；控制站由顯示系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成；而通信鏈路由機(jī)載和地面構(gòu)成。

2.1 飛行器

飛行器分為火箭、導(dǎo)彈、航空器、航天器以及制導(dǎo)武器5大類。常見的有飛機(jī)、氣球、滑翔機(jī)等，這些飛行器在大氣層內(nèi)飛行，因此稱為航空器，其依靠空氣相對運(yùn)動產(chǎn)生的空氣動力從而升空飛行。載人飛船、航天飛機(jī)及人造地球衛(wèi)星等在空間飛行的飛行器稱為航天器，其在運(yùn)載火箭的推動下獲得動力進(jìn)入太空，然后在引力作用下完成軌道運(yùn)動從而達(dá)到飛行目的。

2.2 控制站系統(tǒng)組成

無人機(jī)控制系統(tǒng)有載荷控制、數(shù)據(jù)鏈路控制、飛行控制及載荷數(shù)據(jù)處理4類硬件，還有無人機(jī)控制站、指揮處理中心以及載荷控制站3類不同的功能控制模塊。

2.3 通信鏈路

無人機(jī)與地面進(jìn)行通信，主要由飛行器與地面系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶即數(shù)據(jù)鏈部分完成。隨著無線網(wǎng)通信技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的性能大幅度增強(qiáng)。當(dāng)前無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)采用的調(diào)制模式相對簡單，抗干擾能力較弱。因此，加強(qiáng)對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的探索，對我國低空領(lǐng)域無人機(jī)的發(fā)展非常重要。

3 無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)等。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的大腦，主要由陀螺儀、加速計(jì)、地磁感應(yīng)、氣壓傳感器、超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊以及控制電路等組成，對無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性、與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约熬_度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)完成對遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，其性能優(yōu)劣直接影響到接收、發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性。發(fā)射回收系統(tǒng)能夠確保無人機(jī)順利升空并達(dá)到安全飛行高度和速度，在執(zhí)行完任務(wù)后重新安全回落到地面[1]。

3.1 飛 控

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡稱飛控，是無人機(jī)的大腦，能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，也是無人機(jī)區(qū)別于航模的最主要標(biāo)志。按照功能劃分，飛控系統(tǒng)的硬件通常由主控制、接口、信號處理、數(shù)據(jù)采集以及舵機(jī)驅(qū)動等模塊組成，通過飛控板上的陀螺儀對無人機(jī)進(jìn)行控制。

飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收無線電測控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y控站上行信道發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)模塊處理，輸出控制指令給執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)各種飛行模態(tài)的控制和對任務(wù)設(shè)備的管理與控制。與此同時(shí)，將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無線電數(shù)據(jù)終端，通過下行信道發(fā)送回地面測控站，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在低空快速監(jiān)測并回傳信息。

3.2 無線通信技術(shù)

無人機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信的主要結(jié)構(gòu)為：無人機(jī)載體安裝電池、視頻采集器及無線圖像發(fā)射機(jī)，電池與無線圖像發(fā)射機(jī)均固定在無人機(jī)底部位置，將視頻源與發(fā)射機(jī)相連接，構(gòu)成完整的無線視頻發(fā)射 系統(tǒng)。

無人機(jī)在民用和軍事領(lǐng)域均可用于探測、偵察、監(jiān)測、應(yīng)急及遙感等，可利用獲得的高分辨率圖像進(jìn)行高空作業(yè)。無人機(jī)無線通信系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸圖像清晰、體積小、可靠性高等特點(diǎn)。實(shí)地勘測需要具體的圖像數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)量的增加，無人機(jī)系統(tǒng)的傳送速度和載荷量需要不斷提高[2]。

3.3 監(jiān)測技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)是一種以自身程序控制為主或無線電遙控的無人飛行器，按照系統(tǒng)組成和飛行特點(diǎn)可分為固定翼型無人機(jī)、無人駕駛直升機(jī)兩大類。作為現(xiàn)代化的新型監(jiān)測工具，環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用主要有以下方面。

（1）實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡航監(jiān)測性能業(yè)務(wù)化，推進(jìn)無人機(jī)定期巡航監(jiān)測，獲取空氣污染的高分辨率分 布圖。

（2）用無人機(jī)對移動污染源進(jìn)行監(jiān)控與分析，評估污染源的真實(shí)排放情況，為準(zhǔn)確治理大氣污染提供強(qiáng)有力的信息源。

（3）在環(huán)保監(jiān)測中擴(kuò)大監(jiān)控范圍。

（4）在應(yīng)對輻射等高危事件中，迅速利用無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)及時(shí)獲取污染數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行決策和處理。

4 無人機(jī)在消防通信中的應(yīng)用

根據(jù)不同的危害類型及特點(diǎn)，自然災(zāi)害可分為地震災(zāi)害、生物災(zāi)害、海洋災(zāi)害、森林災(zāi)害、氣象災(zāi)害、農(nóng)作物災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害以及洪水災(zāi)害等[3]。重大自然災(zāi)害常常會造成受災(zāi)區(qū)信息通信中斷、道路交通破壞以及人員傷亡，傳統(tǒng)的現(xiàn)場人力偵查手段的局限性已日益凸顯，無人機(jī)在救災(zāi)通信中的積極作用得到不斷體現(xiàn)，出色地完成了各類滅火救援和搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)。消防部門已經(jīng)充分認(rèn)識到無人機(jī)在滅火救援中的重要作用[4]。

4.1 M600系列無人機(jī)搶險(xiǎn)救災(zāi)

M600系列無人機(jī)具備5 km遠(yuǎn)距離高清實(shí)時(shí)影像傳輸能力、提供38～40 min的超長續(xù)航，采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝方便快捷，可很好地勝任遠(yuǎn)距離林地火情偵查需求。與普通無人機(jī)相比，M600系列的輕量化機(jī)身、強(qiáng)大動力系統(tǒng)及最新A3飛控等配置，使其具有更高的可靠性、負(fù)載能力及更優(yōu)秀的飛行性能。M600系列可搭載禪思Z30相機(jī)，這款云臺相機(jī)擁有30倍光學(xué)變焦功能。在森林火情偵查中，消防員可將飛機(jī)穩(wěn)定懸停，利用變焦功能，可隨時(shí)移動設(shè)備放大查看觀察點(diǎn)情況，避免人員傷害及設(shè)備損失。M600系列無人機(jī)偵查火情現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 M600系列無人機(jī)偵查火情

4.2 消防無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢

消防無人機(jī)采用技術(shù)先進(jìn)的飛行控制系統(tǒng)，可對地面進(jìn)行完備的長時(shí)間空中立體監(jiān)控，如圖2所示。消防無人機(jī)機(jī)身安裝了滅火裝置和視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，可對火災(zāi)進(jìn)行有效控制。

圖2 消防無人機(jī)

消防無人機(jī)的應(yīng)用如有如下突出的技術(shù) 優(yōu)勢。

（1）快速響應(yīng)。消防無人機(jī)分類較多，其中多旋翼無人機(jī)以其體積小、便于運(yùn)輸、不受場地限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠在災(zāi)害發(fā)生后第一時(shí)間快速啟動作業(yè)，為消防救援工作贏得寶貴的時(shí)間。

（2）高空偵察。無人機(jī)能夠在空中長時(shí)間穩(wěn)定懸停，準(zhǔn)確偵查火勢發(fā)展和受困人員處境。例如，華科爾FE15滅火無人機(jī)能接入4G網(wǎng)絡(luò)，采集并傳輸實(shí)時(shí)的高清直播畫面，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)救援；同時(shí)搭載雙鏡頭，可以出色地完成圖像傳輸，能夠隨時(shí)切換滅火器，精準(zhǔn)把控火災(zāi)現(xiàn)場的每處細(xì)節(jié)。

（3）安全滅火效果好。滅火器進(jìn)入房間后不爆炸，僅噴出干粉。因此，不會對建筑物、內(nèi)部圍困人員或戶內(nèi)物品造成次生傷害。

（4）可適用有玻璃的滅火場景。當(dāng)今，很多高層建筑出于美觀的考慮，外立面多采用玻璃幕墻。如遇到火災(zāi)，可以采用FE15滅火無人機(jī)，首先發(fā)射機(jī)載式破玻器，可在20 m距離內(nèi)穿透10 mm厚鋼化玻璃；其次，待窗戶破碎后再發(fā)射滅火器進(jìn)入房間實(shí)施滅火。消防滅火無人機(jī)能有效地針對高層建筑作業(yè)，是消防救援手段的重要補(bǔ)充，預(yù)計(jì)未來將成為城市消防部隊(duì)的標(biāo)配。FE15無人機(jī)滅火現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 FE15無人機(jī)

無人機(jī)以高空優(yōu)勢通過攝影技術(shù)或其他遙感手段來獲取災(zāi)情，能防止災(zāi)害信息傳遞受阻而導(dǎo)致?lián)岆U(xiǎn)救災(zāi)行動的盲目部署，進(jìn)而避免造成更大的次生災(zāi)害和財(cái)產(chǎn)損失，為指揮救援提供強(qiáng)有力的保障和支撐。

5 結(jié) 語

目前無人機(jī)行業(yè)蓬勃發(fā)展，在應(yīng)急測繪、救災(zāi)物資投送以及被困人員搜尋等方面也屢建奇功，深受贊賞[5]。隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，人們發(fā)現(xiàn)無人機(jī)在越來越多的民用領(lǐng)域擁有可觀的市場價(jià)值。預(yù)計(jì)2025年，國內(nèi)無人機(jī)市場總規(guī)模將將達(dá)到750億元人民幣?？梢?，無人機(jī)經(jīng)過步步深入、層層配套的發(fā)展，將形成工業(yè)化的全產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈，更高效地推動民用無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。當(dāng)然，無人機(jī)技術(shù)也面臨著一些現(xiàn)實(shí)問題，如禁飛區(qū)、飛行安全以及運(yùn)輸精準(zhǔn)度等，這也將是未來無人機(jī)技術(shù)研究需要突破和發(fā)力的關(guān)鍵點(diǎn)。