無人機火災中的應用

張佳佳 尚 帥 肖 艷

（1.安徽理工大學電信學院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學電信學院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學電信學院，安徽 淮南 232000）

0 引言

在實際救援中，將單一傳感技術運用到無人機上，火災現場的實際情況難以確定，這時就可以綜合使用不同的傳感技術即多種傳感器技術，以滿足對火災現場進行檢測、分析和數據采集的需求。并且隨著其在無人機運用領域的發展，多傳感器融合技術對一些模糊的信息也可以較為快速地處理，解決了消防救援中信息不清晰這一大難題。

1 無人機技術介紹

小型無人機是一種在低空使用的飛行器，內部搭載有控制系統算法，同時還具備定位器、傳感器和檢測器等設備，借此實現自動控制，同時也可以借助遙控系統來進行手動操作或借助計算機物聯網進行遠程操控，為無人機適應多種環境提供了便利。無人機可以搭載拍攝裝置，來航拍需要的畫面，并借助通信設備將拍攝的畫面傳到計算機上，達到信息交互的目的，為監控、救援活動的展開提供了便利。隨著現代科技的不斷發展，無人機技術也有了顯著的進步，為了使人民的生活更便捷，安全更有保障，無人機應用的領域在不斷拓展。目前無人機在消防救援工作中有著廣泛應用，能收集火災現場的相關信息，協助消防指揮救援[1]。

2 在火災救援中無人機所具有的優勢

2.1 操作簡單

從技術方面來說，無人機的控制是通過互聯網設備以及相關的軟件接口，與地面信息中轉站相連接，這毫無疑問大大降低了操作無人機的技術門檻，使得小型無人機在操作方面比較簡單。對于操作人員的要求得到了降低，在簡單的培訓后便可熟練的使用無人機。通過遙控裝置和計算機輔助跟蹤就可以做到調節無人機狀態，達到實時控制無人機的目的。無人機有著不同型號，也可以搭載不同的裝置設備滿足不同工作環境的需要。一般無人機可以利用攝錄機航拍需要的畫面，并借助通信設備將拍攝的畫面傳回到計算機上，從更廣泛的角度、更遠地距離對火災現場的信息進行全面的收集，提供了更準確的信息，對消防救援提供了有利條件。

目前，無人機可以使用輔助設備，例如，在需要保證細節的地方可以使用高清攝像頭、在黑夜里確定受害者所在地點可以使用熱成像儀、紅外夜視儀等，無人機可以根據現場情況來更換設備，保證救援的正常進行，使用者可以通過遙控器對無人機進行手動控制，也可以通過手提電腦、手機等電子設備對無人機進行自動控制，這樣只需要調節無人機的設備、位置、角度就能對受災環境有全方位的了解。

2.2 信息收集能力強

在進行滅火救援時，信息的有效交互是十分重要的，但是由于火災的不確定性強、擴散速度快，現場的情況無法實時掌握，使消防救援受到掣肘，所以需要無人機進行無線通信傳輸。在到達火災現場后，第一時間利用無人機進行無線傳輸，將航拍收集到的畫面信息傳送到消防指揮中心，讓消防指揮中心可以實時監控火災情況，充分判斷形勢，現場消防員也可以迅速協同接收來自指揮部門的救援指令，及時展開救援行動，不僅保障了人民群眾的生命財產安全，更使得災情可以得到最有效的控制。另外，無人機搭載不同的設備可以達到搜索、照明、探測、搜尋等功能，在火災救援中起到舉足輕重的作用，對消防員開展救援工作有著積極影響。

2.3 安全性高

無人機對環境有著很強的適應性，可以在不同的天氣環境下工作，甚至在雷雨等極端天氣下工作[2]。所以無人機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。無人機核心的優勢是它可以進行遠程操控，可以為消防人員收集現場內部的相關信息。而且在進行滅火救援時，如果是高危險場所，消防員進入現場需要評估危險性，而無人機能夠替代消防員進入現場偵查，消防工作的危險性得到了降低。

由于無人機有較強的機動能力和較低的起飛條件，所以無人機能夠在絕大多數的空間中實現各個角度的航拍工作[3]。且無人機在低空作業時拍攝畫面更清晰，通過配備不同的設備能在不同條件下開展活動，提高了救援的容錯率。

消防人員可以根據救災現場的需要控制無人機停留在空中的位置以及配備的設備，對目標對象進行特寫或全局拍攝，幫助消防指戰員剔除多余信息，有效掌握現場情況。無人機的飛行基本不受天氣影響，在發生泥石流、暴雨的災情現場，無人機能夠快速到達災情中心，幫助消防救援隊伍有效獲取重要信息，為消防救援提供大量的現場數據，這是制定行之有效的救援策略的依據。無人機的使用對于提高風險應對效率，降低災難造成的損失有著積極意義。

3 無人機的技術融合設計方案

無人機消防救援系統總體框圖如圖1所示，由遙感平臺、傳感器分析、GPS定位導航、救援系統3個部分組成。其中無人機作為遙感平臺，搭載多種設備，適應多種場景，能根據實際情況選擇合適的設備，滿足了搶險救災的需求。而信息采集傳輸則作為該系統最重要的部分，即對視覺傳感和GPS定位導航通過聯調設計實現。下面本文將介紹各個系統的設計組成及其實現。

圖1 無人機救援系統

3.1 遙感平臺系統

無人機遙感平臺系統包括無人機控制系統、通信系統、視覺傳感系統、數據分析系統、地面調節控制系統，其中最主要的是無人機控制系統，通過附加的程序，消防員在進行救援活動時可以更方便地使用和調整無人機，以完成更加困難的作業。無人機遙感系統的主體部分是無人機，利用無人機的靈活性來進行消防檢測和救援，無人機的優勢得到了充分的體現。無人機主要是由平衡舵機、通信單元、GPS定位系統、發動機、反饋云臺的聯合協作來達到自由控制飛行的目的。無人機控制系統由兩個主要部分組成，分別是地面監控單元與機載控制單元，前者利用地面控制的平臺站點來進行主要的監控活動，并對無人機的飛行狀態和任務狀態進行管理；對于后者而言則是通過不同的模塊設計來調整無人機的內部[4]。無人機遙感系統的另一個重要設備是穩定云臺，其作用是監控飛行器的翻轉角、航向等三維軸向問題，并對三軸自反饋控制平臺進行分析調整來傳遞相應的任務，使得無人機可以更好的平衡。對于地面控制系統想要進行實時管理則必須采用非常規方法，可以利用無線通信系統，并借助通信設備傳遞的信息對無人機的飛行軌跡展開研究，讓無人機的監視效果達到最優，同時由于通信設備的存在無人機的實時調度也有序進行，使無人機的工作效率得到保證。

3.2 視覺傳感

使用多傳感器來進行視覺傳感，目的是細致地掌握受災情況，采取最有效的救災方案。在復雜、多變的環境下，如果只使用單一的傳感器，在外界環境變化較大的情況下，識別的目標往往伴有模糊性和不確定性，將無法識別目標特征，且難以獲得有效的信息，不利于救援工作的開展；而多傳感器融合技術的使用，相較于單傳感器，大幅度改善了信息模糊的情況，削減了不確定性帶來的影響。當采用多個傳感器交互構建的全目標多態識別時，由于多個傳感器性能的互補，系統更穩定，抗干擾能力得到提高，目標識別能力也得到了提高，同時傳感器識別目標的覆蓋范圍也得到了大范圍擴展。目前在多目標或復雜環境下多傳感器技術的地位日益提高，毫無疑問會成為精確識別的基礎，因為多傳感器技術的存在，未來搶險救災會變得更安全。

3.3 GPS定位、慣性導航

GPS定位利用互聯網和衛星定位系統來確定受災狀況，并確定具體的救援實施方案。而火災洪水等災害發生時，常常會伴有低信噪比的情況發生，GPS信號的傳輸會受到大幅度削弱，信號追蹤的效率減少乃至消失，所以將使用高靈敏度GPS進行捕捉，以提高接收器的處理增益，達到更好的救災效果。

而慣性導航系統通過使用經典牛頓力學原理對實際信息進行積分解算，對無人機在導航坐標系之中的基礎受力情況進行分析，再對導航坐標系相對于慣性坐標系的三維旋轉情況進行分析[5]，兩者相結合達到慣性導航的目的。平臺式慣性導航系統基于平臺的坐標系進行測量，使測量信息輸出于坐標系之中，再將導出的信息進行反解，得出相關數據。最后將數據傳輸到消防指揮中心，使工作人員做好充足的準備，以盡早確定需要采取的救火措施，使損失最小化。

4 結語

隨著無人機技術的發展，現實中無人機的應用也越發成熟，今后無人機的應用勢必會在消防救援中起到至關重要的作用。消防隊在進行消防救援任務時面對不同的環境，可能發生的意外情況和不確定因素較多，而無人機的使用，則改變了這一問題。無人機作為人力勘測的有效替代品，能夠避免讓人直面災害現場，毫無疑問確實保障了人員人身安全。同時無人機的使用快、準、好地完成了災情現場的勘探。本文就目前無人機應用于消防滅火救援隊的技術優勢和發展前景展開敘述，希望可以通過對上述幾種裝置的有效結合，有效彌補以往消防救援工作中存在的不足和缺陷，采取多傳感信息融合交互技術獲取安全的救援路線，使得消防救援工作的風險減小。