基于多旋翼无人机在灾害现场救援中的应用＊

谷海红 ， 郑金松 ， 蒋庆刚 ， 杨晓红

（1.河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南 鹤壁 458030；2.鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

1 多旋翼无人机的技术框架及技术特点

多旋翼无人机主要由传感器、导航系统、控制系统、动力系统、故障诊断系统、决策及规划系统组成。

1）传感器作为多旋翼无人机感知系统的重要组成部分，其作用不言而喻，良好的传感器数据为导航系统的解算提供了扎实的数据基础。

2）导航系统则结合不同的传感器数据，使用最优估计算法进行多旋翼飞行器的状态参量计算，如飞行器的姿态角、速度、位置等，一个良好的最优估计算法能够为控制系统、故障诊断系统、决策及规划系统提供准确的反馈数据。

3）控制系统是保障多旋翼飞行器飞行稳定的核心系统，主要由基于反馈的控制算法组成。

4）动力系统则主要由电池、电机、电调及桨叶组成，该系统为多旋翼无人机提供升力。事实上，该系统也是一个完整的反馈控制系统，其中，电调通过对电机的电流、电压采样形成反馈控制律，控制电机达到预期转速，为多旋翼飞行器提供合适的升力[1]。

5）故障诊断系统则根据导航系统、控制系统的中间参量进行诊断，实时地给出子系统运行健康状况，如多旋翼无人机的某一组桨叶出现破损，导致飞行器升力不足，此时，故障诊断系统会迅速诊断出该故障，并提示控制系统切换对应的故障预案，以保证飞行器的飞行安全。

6）决策及规划系统负责实现“业务级”的决策，如无人机的避障与路径规划，电量不足与传感器异常时的紧急预案等。决策与规划系统的优劣决定了该无人机系统的智能化程度以及能力集的大小。传感器与导航系统共同组成了“感知与状态估计”子模块，它是多旋翼无人机的“眼睛”。在该模块中，首先需要对传感器原始数据进行分析，根据其特性设计对应的滤波器。部分传感器需要根据安装位置及其偏置量进行校准，如加速度计、陀螺仪以及磁力计等。在得到精度较高的传感器数据后，需要设计对应的融合算法，构成组合导航系统，用于解算飞行器的各状态量，如姿态角、速度、位置等。所有状态量如陀螺仪零偏、加速度零偏等，这些状态量与设计的组合导航系统有关。控制系统与动力系统则是多旋翼无人机的“手足”。

2 灾害现场救援的应用场景分析及多旋翼无人机救灾技术优势

从灾害现场救援场景分析可知，灾害发生后，如何做到迅速响应，切断危险源，保证人员和财产安全，并且提高救灾人员对灾害现场的掌控已经成为救灾的关键工作。多旋翼无人机借助自身技术优势在很多场景下能够充分发挥出良好的救灾效果。在无风环境下，多旋翼无人机的控制时速水平飞行可达60 km/h以上，充分弥补了救援人员自身行动速度问题。无人机的最大起飞海拔高度可达5 000m以上，可以让人们不必搭建通道即可到达高空等危险源，这无疑拓展了救灾人员的行动控制范围。而且针对不同的应用场景，可以定制开发出不同种类的无人机救援装备，例如，专门用于探测生命体征的探测无人机、专门用于高温场景下的耐高温设备、专门用于执行一定动作的无人机机器人等。在续航时间上，通常消费级无人机最大飞行时间在无风匀速飞行状态下为0.5h左右。在一些复杂的灾害救援场景下，可以通过扩展无人机电池容量来提高其续航时间和最远续航里程[2]。

3 提高救灾多旋翼无人机的技术可靠性

救灾无人机由于涉及更多恶劣工况，因此对无人机性能提出了更高的要求。无人机应首先具有可靠的稳定性，从多旋翼无人机技术架构分析，由于多旋翼飞行器属于静不稳定系统，脱离了控制系统，其自身不具备稳定飞行的能力，这点与固定翼飞行器有非常大的区别。因此，需要先对灾害救援应用的多旋翼飞行器进行数学建模，然后得到其控制分配关系。用数学表达式描述多旋翼飞行器的横滚、俯仰、航向以及油门通道之间的耦合关系，只有准确解析出该表达式，才能够在各种飞行状态下，发挥每个电机的最大潜能[3]。

对于无人机的故障诊断系统。由于其综合了传感器数据、导航系统数据以及控制系统数据，对各子模块进行实时运行状态评估。它就如“医生”一般，当系统出现故障甚至是故障的前兆时，故障诊断系统能够及时或提前告知各子模块，以至于各子模块能够及时调整算法策略，以适应不同的飞行状况。因此，在灾害救援现场所用的无人机应具备完善的故障诊断能力，以此来应对救灾作业过程中所发生的各种故障问题，确保不会造成次生灾害。另外，要进一步加强无人机决策与规划机制，无人机决策和规划系统犹如多旋翼无人机的“大脑”，有了它多旋翼飞行器才能够称之为“空中机器人”。它掌握着多旋翼飞行器的任务执行策略以及飞行路径，当多旋翼飞行器同时执行多种救援飞行任务时，也需要它根据任务的优先级以及资源调度的情况进行实时地调整，以最高效的方式完成救援任务[4]。

4 多旋翼无人机在灾害救援方面的发展方向

在灾害现场灾情探测方面，多旋翼无人机搭载的相机摄像能力更加强大、传输速度更快、清晰度更高。随着5G通讯的推广，最大分辨率可达4 000*3 000的照片或视频拍摄，将在极短的延时下传输到救灾中控台。不仅如此，无人机搭载的高性能航拍相机能以每秒30帧拍摄4K视频或每秒120帧拍摄1 080P全高清慢动作视频，全新设计的镜头成像清晰锐利；先进的多轴云台可以消除飞行中的抖动和颠簸，让相机在恶劣工况下和剧烈运动中也能够实时捕捉到稳定流畅的灾害现场影像，并保证飞行控制距离在无障碍物遮挡的条件下长距离高质量传输图像。

未来无人机的全新视觉下，视觉定位系统有效距离更远而且适用范围更广，可以使救援操作者在远离灾害现场或无GPS信号的环境下也能实现对救灾无人机的精准悬停、稳定飞行。无人机的环境感知与避障能力也会得到极大提升，前视障碍物感知系统集成先进的传感器与计算机视觉技术，可以让多旋翼无人机具备更加智能的感知和主动避障能力，并且具备更加灵活的飞行控制模式。如在指点飞行模式下，点击移动设备屏幕，就能精确朝向选择的方向飞行，感知到障碍物时，会根据环境自动悬停或绕过障碍物，在锁定救援目标方面，无人机的视觉追踪技术可以让其自动识别和追踪相机画面中的拍摄对象，并将其锁定在画面中央。

5 总结

多旋翼无人机的技术构成较为复杂，其涉及的技术领域广泛，较为接近机器人的范畴。其多种技术优势决定了在灾害救援现场可以发挥出重要的使用价值，应广泛而科学地推广应用[5]。然而，相对于当下灾害救援应用的多旋翼无人机而言，其技术应用依然处于基础技术高速发展的阶段，许多关键技术依然有待突破，在下一个无人机时代，多旋翼无人机技术与灾害救援业务的高度整合将会是无人机市场的爆发点。