关于消防无人机火力控制系统开发的设想

解晨阳 李祺 曹威 任鲁哲 杨百川 纪任鑫 黄宇

摘要：近些年，无人机相关技术迅速发展并逐步成熟，无人机的运用日趋广泛。随着国家经济发展，大型火灾时有发生。同时，火场内部复杂度、危险度不断上升。因此，无人机在消防的运用逐步增加。其中，利用无人机携带灭火弹对火源实施打击已成为一种常见的灭火手段。通过对消防救援队伍使用无人机进行火灾扑救方式的调研，了解到现阶段无人机携带灭火弹进行打击的精准度并不高，对于打击时机、打击位置的把控主要依靠无人机飞手的经验，易产生较大误差。因此，开发一种提高无人机带弹打击精度的软件成为当前无人机灭火作战的迫切需求。现阶段，已有多种开源无人机能实现二次开发。同时，DJImobile SDK、DJI Onboard SDK等多種无人机软件开发平台也为相关研究提供了便利。本文在查阅文献资料的基础上，探讨性地提出了消防无人机火力控制系统的开发设想。

关键词：消防无人机;火力控制系统;开发设想

近些年，无人机相关技术迅速发展并逐步成熟，无人机的运用日趋广泛。随着国家经济发展，大型火灾时有发生。同时，火场内部复杂度、危险度不断上升。因此，无人机在消防的运用逐步增加。其中，利用无人机携带灭火弹对火源实施打击已成为一种常见的灭火手段。现阶段无人机携带灭火弹进行打击的精准度还有待提高，做好无人机火力控制系统开发是提高无人机携带灭火弹打击精准度的重要一环。火力控制系统开发需要综合考虑多种物理因素影响，通过数理分析构建模型。在工程应用中还需对已建立模型做一定的简化处理，同时在数据上可能需要做一定的变换。火力控制系统的开发可分为多个阶段，通过以下三个阶段完成相关系统的开发：数理模型构建阶段、仿真验证阶段、程序开发阶段。

一、数理模型构建阶段

通过分析无人机在携带灭火弹进行火源打击任务过程中的大气环境，结合空气动力学，并加以工程应用方面的数据优化构建数理模型，推算出无人机灭火弹抛掷的最佳位置。

1.坐标系的选取。火力控制理论涉及多种坐标系，例如直角坐标系、机体坐标系、大地坐标系等等，根据任务需求和实际操作性，我科研小组选取大地坐标系为算法的主要坐标系。大地坐标系也称世界坐标系或当地水平坐标系，在该坐标系中，无人机指向地球正北的方向为X轴，正东的方向为Y轴，X轴与Y轴相互垂直，Z轴竖直指向无人机下方，在满足“右手法则”前提下，Z轴将根据无人机飞行实际情况调节角度，因此该坐标系也称为“北-东-地（N-E-D）坐标系”。

2.条件设置。令无人机投弹时初速度为V，投弹位置为P。由于下落时间较短，且投掷灭火弹后，灭火弹轨迹无法再做修正。所以可将任意时刻、任意位置的风速视为不变量，即投弹瞬间无人机所处位置P的风速，以矢量表示为（ ）。假设落体落点为Q，灭火弹下落过程中位于任意一点的速度为V（ ）（参看图1）。

3.公式引用。式中：C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积（迎风面积），物体光滑程度和整体形状有关;ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/l，特殊条件下可以实地监测;S为物体迎风面积;V为物体与空气的相对运动速度。由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。

4.模型建立（参看图2、3）。在竖直方向，即Z轴方向，在计算过程中，忽视竖直风速原因：（1）竖直风作用，情况较为复杂。且在运动过程中存在运动状态突变，不利于计算。（2）常用风速计无法准确测出物体运动状态下的竖直风力。（3）无人机携带灭火弹进行火点打击的高度较低，相比重力作用，竖直风力作用效果有限。综上，忽视竖直风速的Z轴模型建立如下：灭火弹在竖直方向下落过程中，受到重力和空气阻力的共同作用，重力已知为g，我们选取北京重力为参考，即9.8015kg*m/s2。对空气阻力，有，其中C为空气阻力系数（由实验而得），为空气密度，S为迎风面积，V为灭火弹与空气相对速度，在这里设空气竖直方向速度为0。受力分析可知：

对v进行积分可得到下落高度与t的关系：

若再简化Z轴方向模型，将竖直方向运动简化为自由落体运动，计算可知不同高度下落时所用时间（下文仿真模拟将竖直方向运动均近似为自由落体运动）。

二、仿真验证阶段

利用matlab对已构建模型进行仿真验证（详略）。

三、程序开发阶段

基于DJI Mobile SDK进行程序开发。DJI Mobile SDK缩写为MSDK，是一款软件开发套件，旨在让开发者能访问DJI无人机和手持相机产品的丰富功能。该SDK包括：可导入Android或iOS应用程序的 库/框架，用于访问DJI产品的功能飞行模拟器和可视化工具适用于iOS的调试工具和远程logger示例代码和教程、开发者指南和API文档。通过DJI Mobile SDK进行编程，利用数据的实时交互性，开发出一款可实时计算无人机携带灭火弹最佳打击位置的程序。通过可视化技术，为使用者呈现一个较为友好的操作界面：（1）实时数据的获取。通过MSDK所附加的广播与订阅功能获取算法所需要的无人机相关的实时数据。考虑到气象条件的实时变化，相关数据的刷新频率定为3Hz。（2）数据的传输。通过编写一套基于Java语言的程序将所订阅的无人机数据信息转变为txt文本格式，以无线局域网为媒介，将数据信息输入电脑。通过C++编写算法得出计算结果。

四、结语

无人机在应急救援运用不断推进。科学合理使用无人机参与应急救援可以最大程度减少人员伤亡、经济损失，提高救援效率。通过对于无人机火力控制系统的开发，可以提高灭火打击精度，并在一定程度上取代人力扑救，对于灭火实战具有重大意义。

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作者简介：解晨阳（2001-），男，汉族，安徽滁州人，主要研究方向：飞行器控制与信息工程。