警用多轴旋翼无人机的应用及发展方向

唐前进，徐 峥

(公安部第三研究所物联网技术研发中心,上海 201204)



警用多轴旋翼无人机的应用及发展方向

唐前进，徐 峥

(公安部第三研究所物联网技术研发中心,上海 201204)

为提高无人机在公安行业的实战应用能力，促进无人机产业在警用市场的发展，通过对多轴旋翼无人机在公安行业不同任务类别的需求和应用现状进行分析，指出了警用多轴旋翼无人机应用存在的问题，阐述了警用多轴旋翼无人机的发展方向。

警用无人机；警务应用；任务载荷；视频侦查；通信中继

近年来，随着技术外溢、硬件产业链成熟和成本下降，从军事应用发展起来的无人机正在农业、电力、石油、检灾、林业、气象、国土资源、警用、海洋水利、测绘、城市规划等多个民用行业得到应用，其市场规模呈爆炸式增长趋势[1]。无人机在警务活动中的应用要追溯到2008年，北京和山东公安系统分别购置了4套无人机系统，之后河北、辽宁等地陆续购置了各型的警用无人机，截至目前全国超过150家公安部门购置了无人机。警用无人机是面向公安行业视频侦查、反恐维稳、交通监测、缉毒缉私、消防救援、大型安保、指挥调度等警务活动的移动式专业装备，能与视频侦查车、通信指挥车等平台进行配合，形成空地一体化的侦察与指挥调度系统，加载的专业装备能满足多种特定公安业务的实战需要[2-3]。针对我国警力配备不足、警用装备技术含量不高、多警种协同作战能力弱等现状，无人机的应用可以大幅提高警务效能。

无人机有无人直升机、固定翼无人机、多轴旋翼无人机等多种类型，在21世纪初就在公安行业探索应用，并有许多成功的应用案例[4-5]。由于多轴旋翼无人机具有操作方便、可垂直起降、悬停效果好、体积小、价格相对便宜的特点，目前在警用航空已经成为不可缺少的机型；无人直升机和固定翼无人机尽管有续航时间长、抗风能力好、载重量大等优点，但其成本高、操作复杂、起飞条件要求相对较高的局限性也较为明显，目前主要在新疆等地配置该类机型。笔者仅就多轴旋翼无人机的警务应用进行分析。

1 多轴旋翼无人机警务应用

1.1 警用多轴旋翼无人机系统组成

警用多轴旋翼无人机系统组成如图1所示。由图1可知，警用多轴旋翼无人机系统主要由无人机平台、任务载荷、地面站和无线传输链路组成。其中，一种模式是可视距离内使用，其无线传输链路仅在无人机平台与地面站之间保持数据传输；另外一种模式是非可视使用，需要将现场信息传输到指挥中心，这种模式需要远距离无线传输链路。任务载荷的功能决定了警用无人机能完成的任务使命，这也是警用无人机最重要的特点，任务载荷的多元化、实战化、模块化是警用无人机载荷的理想目标。在实际应用中，无线传输数据链路也是决定其实战应用的重要因素，尤其是无线宽带图像传输的效果对无人机的实战应用具有关键作用，这与当前以视频侦查为主要应用模式有关，即使是一些辅助打击、物资抛投等行为也要借助于视频图像进行现场情况判断。

图1 警用多轴旋翼无人机系统组成

1.2 警用多轴旋翼无人机的技术要求

1.2.1 基本要求

从目前警用多轴旋翼无人机的发展阶段来看，其最基本的技术要求应满足以下4点：①能持续飞行30 min以上；②具有视频图像拍摄功能；③具有近距离视频传输功能；④具有可视距离遥控飞行功能。这些最基本的功能也是目前最普遍和最重要的应用，其实质是延伸人的视觉空间，从更高角度来观察地面。天津港“8·12”爆炸事故发生后，先后共有8架无人机对爆炸现场进行了全方位的高清图传，对灾情和救援实施有效的监控，为指挥员提供了有力的决策支持，是一次无人机成功应用的案例。

1.2.2 增强要求

1.3 警用多轴旋翼无人机的应用

1.3.1 基本成熟的应用

目前，警用无人机还处于以航拍为主的初级应用阶段，应用形式和应用场景非常简单。在反恐处突、高速公路交通监测、森林防火、应急防空、禁种铲毒、大型活动安保、群体性事件处置等多种作战任务中，航拍图像能从总体上看清现场态势的全貌，这对指挥决策具有重要作用。

这种应用其实是无人机的一种通用模式，但为了适应警务的需要，还需要满足一些特殊的要求。如对违章停车的机动车进行监测取证时，需要无人机的摄像机配有变焦镜头，能看清楚机动车号牌。抓拍违章停车画面对比图如图2所示，图2(a)为100 m高空航拍摄的画面，图2(b)为20倍光学变焦后拍摄取证的车牌，能识别出机动车号牌号码。

图2 抓拍违章停车画面对比图

1.3.2 正在探索的应用

任务载荷的功能决定了警用无人机的应用场景和效果，但受限于多轴旋翼无人机的载重能力、续航时间等因素，除了基本应用模式外，正在探索的应用主要有以下4类：

(1)搭载非可见光波段的图像采集任务载荷。相对于可见光，不可见光波段的图像带有可见光不具有的信息，主要有热成像和高光谱摄像机任务载荷。机载热成像能在大范围内搜索热源，故适用于夜间搜捕逃犯、监测森林火灾隐患、消防扑救监测等警务活动。而高光谱成像仪能在连续光谱段上对同一目标同时成像，可直接反映被观测物体的光谱特征，甚至能识别物体表面物质的成分，使目标检测识别能力显著提高，且使目标的探测由定性分析转为定量分析成为可能。如利用机载高光谱成像仪进行毒品种植查缉时，能从相似的植物中分辨出大麻、鸦片等植物，提高了查缉效率。而适合于多轴旋翼无人机的高光谱摄像机相对较少，主要以进口为主。目前该类任务载荷的重点是核心采集器件的国产化和低成本化。

(2)搭载基于图像智能分析的任务载荷。由于智能视频分析技术和计算处理模块的快速发展，人工查看图像的应用模式已经具备朝智能化方向转变的条件，甚至业界已提出了无人机大数据的概念[6]。基于图像智能分析的任务载荷能实现嫌疑车辆与人员自动跟踪[7]、现场人流与车流数量自动统计分析、高速路违章占用应急车道的交通执法与取证，这些应用能大大降低警务活动强度，提高执法效率。

(3)搭载抓放机构任务载荷。抓放机构根据地面控制人员的指令，能实现机构的闭合与张开，并完成特定的警务任务。现在公安机关正在探索的应用包括：抛投救生衣、抛投催泪瓦斯、发射催泪弹、抓取可疑物证样品、扩音警告、辅助打击等。但受限于多轴旋翼无人机的载重能力，这些应用的效果往往有明显的局限性,其任务执行能力相当有限。国外也报道了不少无人机的警务应用，如目前美国最新一代的警用武装无人机，可装置多种致命性或非致命性武器，致命性武器主要用于消灭危害较大、犯罪事实明确的恐怖分子，而非致命性武器主要用于制止人群骚乱[8]。但利用无人机搭载致命武器的应用模式可能还存在法律问题，即无法确定该种模式下的法律责任认定。

(4)搭载通信中继任务载荷。在山区等特殊地形环境中，往往需要在高处架设通信中继基站，而小型化的通信基站能加载在多轴旋翼无人机上，这样能在最短时间建立一个制高点，以确保通信畅通。鉴于一般多轴旋翼无人机续航时间较短，国内已有采用系留旋翼无人机进行通信中继，能确保24 h不中断，系留多轴旋翼无人机系统如图3所示。图3(a)为系留多轴无人机，其通过一个光电复合电缆与地面的不同载体相连，如图3(b)所示。

图3 系留多轴旋翼无人机系统

除了上述4类，还有一些任务载荷也正在探索应用，如频率干扰仪、搜爆器、手机信号侦测等任务载荷。

2 应用中存在的问题

2.1 技术方面

制约多轴旋翼无人机警务应用的技术因素主要有以下5个方面：①续航能力不强。在一些警务活动中，往往需要长时间的飞行侦察，这就要求无人机能长时间飞行；②抗风能力不强。由于抗风能力差导致坠机的事故在警务活动中经常发生，其限制了无人机的应用场景；③复杂环境的避障能力不足。由于公安缺乏专门的无人机飞行训练保障，在城市环境下的无人机操控就面临了极大的次生伤害风险；④轻量化、模块化任务载荷不多。针对不同场景，能应用的模块化、轻量化的任务载荷在种类、功能、性能方面都还没有达到业务需求；⑤技术标准缺乏。目前，公安行业的无人机系统标准《警用无人机通用技术要求》、《警用多轴旋翼无人机系统》正在制定过程中，尚缺乏明确的技术标准。

2.2 非技术方面

制约多轴旋翼无人机警务应用的非技术因素主要有以下几个方面：①缺乏明确的管理制度。多轴旋翼无人机属于低慢小目标，其飞行本身可能会带来安全隐患，目前管理这些飞行器的相关制度尚不完善；②人才队伍缺乏。目前既缺乏专门的警用无人机操作维护人员，又缺乏对无人机警务应用战术研究的人才队伍；③缺乏公开透明的科学评估方法。由于目前市场上宣称可以用于警务活动的多轴旋翼无人机多达上百家供应商，产品型号更达数百个，价格也从几千到上百万，但缺乏公开公正的评估方法， 这给采购方带来极大的困惑。

3 发展方向

3.1 增强无人机的安全性

增强无人机的安全性可以避免无人机坠毁造成的财产损失和地面人员受伤。在某地组织的无人机现场测试中，12架不同型号的多轴旋翼无人机竟然有一半坠机，还有一架无人机发生坠机燃烧，这充分说明了无人机的安全性急需加强。故应从技术上保障无人机在非正常状态下的自动终止技术、自动返还技术，增强无人机的自动避障能力，使得无人机能在非专业人员使用时不出现安全事故[9]。因此，要增强无人机在强电场、磁场环境下的可靠性测试。同时，公安是特殊部门，执行的任务很多具有隐蔽性，保密性要求高，任务内容不能随意泄露。在利用无人机执行任务时，数据、通信传输必须数据链化，才能保证内容的安全。

3.2 增强人机交互的便捷性

公安工作的一个突出特点是突发性、应急性，这要求警用装备必须能快速部署，尽快用得上。目前不少警用无人机的作战单元和无人机配件实现了模块化，具备可插拔功能，可在几分钟内快速安装和拆解。傻瓜式的操作和快速的展开方式是无人机的发展方向。多轴旋翼无人机快速展开结构如图4所示，其旋翼轴只需要通过简单两个动作就能收放，特别适合室外临时作业，其状态转换只需按动轴上的一个按钮即可。

图4 多轴旋翼无人机快速展开结构

3.3 提升无人机续航时间

提升无人机的续航时间是一个永恒的话题，续航时间与续航距离太短是制约多轴旋翼无人机应用的世界性难题。以增加锂电池容量的方式提升续航时间，往往导致自身重量的增加而缩短时间，目前只能平衡电池容量与续航时间。因此，开展新型能源供应方式才是发展方向，目前已开始研究氢燃料电池、太阳能电池等新型能源供应方式。

3.4 开发更多实用化任务载荷

研究分析无人机任务载荷，首先应对无人机作战任务使命进行分析，结合某项具体的警务活动，研制符合实战化需求的任务载荷，做到任务载荷的智能化、集成化、信息化和互换性。

3.5 增强无人机应用智能化水平

无人机的智能化应用要根据警务活动需要，提升任务载荷数据的价值，从目前技术的可实现性和应用需求角度来看，其重点是基于无人机图像的深度应用，主要包括图像的跟踪定位、现场测量、三维重构、现场信息图像自动识别等[10]。

4 结论

警用无人机不单纯是一个无人机硬件，更是一个整体系统，是整个公安业务系统的重要组成部分。警用无人机的应用，从表面上看是无人机平台、任务载荷在起作用，但实际上涵盖了出警方案制定、无人机和任务载荷控制、警察办案思路具化、警力指挥与调度、应急预案准备与执行等，这些相关系统的衔接和配合，形成了一个完善的、前联后通的通信指挥控制系统，因此，研究无人机警务应用必须与公安业务系统高度融合。无人机在技术越来越成熟的今天，如何更深入应用到警务工作的各个领域，除了无人机设备本身，更关键的在于结合各警种本身业务，深度研究、定制无人机警务实战应用解决方案，开发配套软件、应用系统，而不是光顾着好看，摆“花架子”，只有踏踏实实研究技术，才能将警用无人机的作用发挥得更好。

[1] 吴沁怡.我国无人机的发展现状与展望[J].科技展望,2016,25(12):12-17.

[2] 钟少波，陈涛.突发事件危险源管理刍议[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2016,38(1):8-11.

[3] 任才清，吴超.城市重要目标区域反恐小组的构建研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2016,38(2):150-153.

[4] 黄涛.小型无人机在公共安全领域的应用前景展望[C]∥2016年第二届今日财富论坛论文集.北京:[s.n.]，2016：122-125.

[5] 吴强.警用无人机引发的现实思考[J].中国人民公安大学学报(自然学科版),2015(2):29-32.

[6] 深圳先进技术研究院.警用无人机大数据采集系统及犯罪空间数据库构建方法：CN201510445420.5[P].2015-11-25.

[7] 刘丹，田银枝，王红闯，等.警用无人机空中实时图像侦察系统的设计与应用[J].地理空间信息,2015,13(1):17-20.

[8] 阿碧.警用微型无人机[J].检察风云,2015(9):43-45.

[9] 吴旻.六旋翼无人机故障安全系统的相关研究[D].南京：南京信息工程大学，2015.

[10] 刘鹏,彭艳鹏,邹秀琼,等.我国无人机航摄系统现状和前景[J].地理空间信息,2010,8(4):4-6.

TANG Qianjin:Associate Researcher; Internet of Things Technology Research and Development Center,Third Research Institute of Ministry of Public Security, Shanghai 201024, China.

Application and Development Direction of Police Multi-axis Rotor UAV

TANGQianjin,XUZheng

To improve the actual application ability of UAVs for public security, and promote the development of the UAV industry in the police market, the paper analyses the demand and application status of multi axis rotor UAV (unmanned aerial vehicle) for different job categories of public security. It pointed out that the multi rotor UAV exists the problems in application and the development direction of police multi axis rotor UAV..

police unmanned aerial vehicle; police application; task load; video detection; communications relay

2095-3852(2017)02-0239-04

A

2016-10-12.

唐前进(1976-),男,重庆人,公安部第三研究所物联网技术研发中心副研究员，主要研究方向为公共安全.

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金项目(2016C16346)；公安部重点研究基金项目(2016JSYJC18).

V279.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.02.025