基于視覺定位的森林火災防控一體化飛行平臺

摘 要：本團隊設計出一套基于視覺定位的森林火災防控一體化飛行平臺。平臺包括梯形機翼、倒V型尾翼設計的固定翼垂直起降無人機、新型滅火彈和森林火點定位系統(tǒng)，可有效識別、定位、打擊早期森林火情。

關鍵詞：森林火災防控；無人機；視覺定位；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡

1 作品介紹

本團隊設計了基于視覺定位的森林火災防控一體化飛行平臺。其中包括梯形機翼、倒V型尾翼設計的固定翼垂直起降無人機、新型滅火彈和森林火點定位系統(tǒng)，可有效識別、定位、打擊早期森林火情。

2 技術原理

飛行平臺整體采用常規(guī)式氣動布局，運用垂直起降和無線充電技術，在維護、偵察、警報、打擊的全流程中具有高度自動化能力。該飛行器采用ABAQUS軟件對機翼復合梁結構進行拓撲優(yōu)化，采用XFLR5對外形布局進行基本設計；同時使用ANSYS仿真優(yōu)化飛行器氣動外形，在制造工藝上采用一體式成型制造，大量采用基于酚醛樹脂基體的碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料。此外翼身上表面覆蓋太陽能電池板，采用鋰聚合物電池和太陽能電池雙動力來源，從能源、增升、減阻、減重多角度實現(xiàn)其載重能力和續(xù)航能力的突破。

本團隊開發(fā)了機載火點定位算法，設計了火點特征提取算法和Mask火點圖像過濾算法，對目標圖像進行過濾，在剔除森林特征后，對于剩下的部分再進行Canny輪廓提取算法、Douglas-Peucker輪廓擬合算法和輪廓發(fā)現(xiàn)與定位算法，即可完成對森林火點的發(fā)現(xiàn)和精確定位；最后通過像素面積計算并與原圖像進行分析和比較，篩選評定出最終的定位結果。

基于熱電偶的雙控式分瓣滅火彈設計中，彈體由彈頭、機械引信、彈身、電雷管、柔爆索、彈身基座、穩(wěn)定桿、尾翼等部分構成。綜合考慮滅火彈的飛行速度、射程和飛行穩(wěn)定性，選取了小阻力彈頭長度，彈頭外形設計為Von Karman曲線型，小阻力彈頭長度降低了空氣阻力和渦阻，有利于飛行的穩(wěn)定。彈身主要用于裝填滅火劑，安裝機械引信；彈身為圓柱形，長35 mm，直徑10 mm。在保持無人機飛行穩(wěn)定、攜帶輕便的同時，盡可能地增大了滅火劑的填裝容積，擴大了滅火劑的拋撒面積，提高滅火效率和滅火質(zhì)量。

機翼翼形采用的NACA4412，飛行器巡航的環(huán)境為海拔0～3 km，飛行速度在0～50 m/s，距地面高度在1 km以內(nèi)。經(jīng)計算，上述條件下飛行器雷諾數(shù)變化范圍在5×104～1×106之間。該范圍內(nèi)中，該飛行器都可以穩(wěn)定提供升力。飛行器使用碳桿支撐倒V型尾翼的結構布局，用以消除飛行器的中后段機身產(chǎn)生的粘滯阻力。

機載視覺定位算法基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡開發(fā)，所選用訓練集為10 000張森林火災照片；測試集為1 000張人工標定的森林火災正負樣本。經(jīng)檢測，算法識別十分穩(wěn)定，識別精確度達到97%以上。

3 創(chuàng)新點及應用前景

本作品的創(chuàng)新點包括以下三方面：（1）無人機平臺主要由復合材料一體化成型，表面光潔、氣動性能優(yōu)異；雙動力設計突破原有續(xù)航瓶頸，搭載具備高容低阻聚合物鋰電池、太陽能電池板以及自動巡航和無線充電技術的固定翼垂直起降系統(tǒng)，可以實現(xiàn)維護、偵查、警報、打擊全流程自主高效運作。（2）機載滅火彈采用拉發(fā)式分瓣式設計，搭載有基于熱電偶控制的保險裝置，即滅火彈采用雙控（拉發(fā)式+熱效應）式控制；采用超細干粉滅火劑，其ODP值、GWP值均為零。（3）利用基于OpenCV的圖像反向直方圖投影識別算法+HSV火焰顏色分析算法+深度學習技術對火源識別進行訓練，以適應多場景下火源識別問題。多種方式同步對火源目標進行匹配，具有對火點識別精度高、不同工作環(huán)境下環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢。

森林地理環(huán)境復雜，山高林密，信號容易被遮擋。利用無人機飛行平臺搭載中繼通信設備，可保證通信鏈路暢通，利于快速搭建覆蓋任務區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，既可滿足各級指揮員的火場信息需求，也可實現(xiàn)現(xiàn)場單兵攜帶平板設備共享林火動態(tài)信息的功能。