无人机火灾中的应用

张佳佳 尚 帅 肖 艳

（1.安徽理工大学电信学院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大学电信学院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大学电信学院，安徽 淮南 232000）

0 引言

在实际救援中，将单一传感技术运用到无人机上，火灾现场的实际情况难以确定，这时就可以综合使用不同的传感技术即多种传感器技术，以满足对火灾现场进行检测、分析和数据采集的需求。并且随着其在无人机运用领域的发展，多传感器融合技术对一些模糊的信息也可以较为快速地处理，解决了消防救援中信息不清晰这一大难题。

1 无人机技术介绍

小型无人机是一种在低空使用的飞行器，内部搭载有控制系统算法，同时还具备定位器、传感器和检测器等设备，借此实现自动控制，同时也可以借助遥控系统来进行手动操作或借助计算机物联网进行远程操控，为无人机适应多种环境提供了便利。无人机可以搭载拍摄装置，来航拍需要的画面，并借助通信设备将拍摄的画面传到计算机上，达到信息交互的目的，为监控、救援活动的展开提供了便利。随着现代科技的不断发展，无人机技术也有了显著的进步，为了使人民的生活更便捷，安全更有保障，无人机应用的领域在不断拓展。目前无人机在消防救援工作中有着广泛应用，能收集火灾现场的相关信息，协助消防指挥救援[1]。

2 在火灾救援中无人机所具有的优势

2.1 操作简单

从技术方面来说，无人机的控制是通过互联网设备以及相关的软件接口，与地面信息中转站相连接，这毫无疑问大大降低了操作无人机的技术门槛，使得小型无人机在操作方面比较简单。对于操作人员的要求得到了降低，在简单的培训后便可熟练的使用无人机。通过遥控装置和计算机辅助跟踪就可以做到调节无人机状态，达到实时控制无人机的目的。无人机有着不同型号，也可以搭载不同的装置设备满足不同工作环境的需要。一般无人机可以利用摄录机航拍需要的画面，并借助通信设备将拍摄的画面传回到计算机上，从更广泛的角度、更远地距离对火灾现场的信息进行全面的收集，提供了更准确的信息，对消防救援提供了有利条件。

目前，无人机可以使用辅助设备，例如，在需要保证细节的地方可以使用高清摄像头、在黑夜里确定受害者所在地点可以使用热成像仪、红外夜视仪等，无人机可以根据现场情况来更换设备，保证救援的正常进行，使用者可以通过遥控器对无人机进行手动控制，也可以通过手提电脑、手机等电子设备对无人机进行自动控制，这样只需要调节无人机的设备、位置、角度就能对受灾环境有全方位的了解。

2.2 信息收集能力强

在进行灭火救援时，信息的有效交互是十分重要的，但是由于火灾的不确定性强、扩散速度快，现场的情况无法实时掌握，使消防救援受到掣肘，所以需要无人机进行无线通信传输。在到达火灾现场后，第一时间利用无人机进行无线传输，将航拍收集到的画面信息传送到消防指挥中心，让消防指挥中心可以实时监控火灾情况，充分判断形势，现场消防员也可以迅速协同接收来自指挥部门的救援指令，及时展开救援行动，不仅保障了人民群众的生命财产安全，更使得灾情可以得到最有效的控制。另外，无人机搭载不同的设备可以达到搜索、照明、探测、搜寻等功能，在火灾救援中起到举足轻重的作用，对消防员开展救援工作有着积极影响。

2.3 安全性高

无人机对环境有着很强的适应性，可以在不同的天气环境下工作，甚至在雷雨等极端天气下工作[2]。所以无人机在消防救援工作中的使用提高了生存率，增加了救援的成功率。无人机核心的优势是它可以进行远程操控，可以为消防人员收集现场内部的相关信息。而且在进行灭火救援时，如果是高危险场所，消防员进入现场需要评估危险性，而无人机能够替代消防员进入现场侦查，消防工作的危险性得到了降低。

由于无人机有较强的机动能力和较低的起飞条件，所以无人机能够在绝大多数的空间中实现各个角度的航拍工作[3]。且无人机在低空作业时拍摄画面更清晰，通过配备不同的设备能在不同条件下开展活动，提高了救援的容错率。

消防人员可以根据救灾现场的需要控制无人机停留在空中的位置以及配备的设备，对目标对象进行特写或全局拍摄，帮助消防指战员剔除多余信息，有效掌握现场情况。无人机的飞行基本不受天气影响，在发生泥石流、暴雨的灾情现场，无人机能够快速到达灾情中心，帮助消防救援队伍有效获取重要信息，为消防救援提供大量的现场数据，这是制定行之有效的救援策略的依据。无人机的使用对于提高风险应对效率，降低灾难造成的损失有着积极意义。

3 无人机的技术融合设计方案

无人机消防救援系统总体框图如图1所示，由遥感平台、传感器分析、GPS定位导航、救援系统3个部分组成。其中无人机作为遥感平台，搭载多种设备，适应多种场景，能根据实际情况选择合适的设备，满足了抢险救灾的需求。而信息采集传输则作为该系统最重要的部分，即对视觉传感和GPS定位导航通过联调设计实现。下面本文将介绍各个系统的设计组成及其实现。

图1 无人机救援系统

3.1 遥感平台系统

无人机遥感平台系统包括无人机控制系统、通信系统、视觉传感系统、数据分析系统、地面调节控制系统，其中最主要的是无人机控制系统，通过附加的程序，消防员在进行救援活动时可以更方便地使用和调整无人机，以完成更加困难的作业。无人机遥感系统的主体部分是无人机，利用无人机的灵活性来进行消防检测和救援，无人机的优势得到了充分的体现。无人机主要是由平衡舵机、通信单元、GPS定位系统、发动机、反馈云台的联合协作来达到自由控制飞行的目的。无人机控制系统由两个主要部分组成，分别是地面监控单元与机载控制单元，前者利用地面控制的平台站点来进行主要的监控活动，并对无人机的飞行状态和任务状态进行管理；对于后者而言则是通过不同的模块设计来调整无人机的内部[4]。无人机遥感系统的另一个重要设备是稳定云台，其作用是监控飞行器的翻转角、航向等三维轴向问题，并对三轴自反馈控制平台进行分析调整来传递相应的任务，使得无人机可以更好的平衡。对于地面控制系统想要进行实时管理则必须采用非常规方法，可以利用无线通信系统，并借助通信设备传递的信息对无人机的飞行轨迹展开研究，让无人机的监视效果达到最优，同时由于通信设备的存在无人机的实时调度也有序进行，使无人机的工作效率得到保证。

3.2 视觉传感

使用多传感器来进行视觉传感，目的是细致地掌握受灾情况，采取最有效的救灾方案。在复杂、多变的环境下，如果只使用单一的传感器，在外界环境变化较大的情况下，识别的目标往往伴有模糊性和不确定性，将无法识别目标特征，且难以获得有效的信息，不利于救援工作的开展；而多传感器融合技术的使用，相较于单传感器，大幅度改善了信息模糊的情况，削减了不确定性带来的影响。当采用多个传感器交互构建的全目标多态识别时，由于多个传感器性能的互补，系统更稳定，抗干扰能力得到提高，目标识别能力也得到了提高，同时传感器识别目标的覆盖范围也得到了大范围扩展。目前在多目标或复杂环境下多传感器技术的地位日益提高，毫无疑问会成为精确识别的基础，因为多传感器技术的存在，未来抢险救灾会变得更安全。

3.3 GPS定位、惯性导航

GPS定位利用互联网和卫星定位系统来确定受灾状况，并确定具体的救援实施方案。而火灾洪水等灾害发生时，常常会伴有低信噪比的情况发生，GPS信号的传输会受到大幅度削弱，信号追踪的效率减少乃至消失，所以将使用高灵敏度GPS进行捕捉，以提高接收器的处理增益，达到更好的救灾效果。

而惯性导航系统通过使用经典牛顿力学原理对实际信息进行积分解算，对无人机在导航坐标系之中的基础受力情况进行分析，再对导航坐标系相对于惯性坐标系的三维旋转情况进行分析[5]，两者相结合达到惯性导航的目的。平台式惯性导航系统基于平台的坐标系进行测量，使测量信息输出于坐标系之中，再将导出的信息进行反解，得出相关数据。最后将数据传输到消防指挥中心，使工作人员做好充足的准备，以尽早确定需要采取的救火措施，使损失最小化。

4 结语

随着无人机技术的发展，现实中无人机的应用也越发成熟，今后无人机的应用势必会在消防救援中起到至关重要的作用。消防队在进行消防救援任务时面对不同的环境，可能发生的意外情况和不确定因素较多，而无人机的使用，则改变了这一问题。无人机作为人力勘测的有效替代品，能够避免让人直面灾害现场，毫无疑问确实保障了人员人身安全。同时无人机的使用快、准、好地完成了灾情现场的勘探。本文就目前无人机应用于消防灭火救援队的技术优势和发展前景展开叙述，希望可以通过对上述几种装置的有效结合，有效弥补以往消防救援工作中存在的不足和缺陷，采取多传感信息融合交互技术获取安全的救援路线，使得消防救援工作的风险减小。