淺談無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在搶險(xiǎn)救援中的應(yīng)用

劉 亞 爽，　朱 毓 杰，　林 芳 芳

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第九支隊(duì)，四川 成都　611130；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都　611130)

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淺談無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在搶險(xiǎn)救援中的應(yīng)用

劉 亞 爽1，朱 毓 杰2，林 芳 芳2

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第九支隊(duì)，四川 成都611130；2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì) 水電第三總隊(duì)，四川 成都611130)

重大自然災(zāi)害往往會(huì)造成災(zāi)區(qū)信息通訊中斷、構(gòu)筑物受損、河道堵塞等，因此，獲取第一手災(zāi)情數(shù)據(jù)資料，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)感知、監(jiān)測(cè)預(yù)警，制定及時(shí)的救援策略, 提高救援效率將起到至關(guān)重要的作用。無(wú)人機(jī)(UAV)作為一種新型偵測(cè)類工具，能夠越過山川河流阻隔，對(duì)方圓百公里范圍進(jìn)行精確偵察，形成三維地理遙感影像，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、影像分辨率高、成本低的特點(diǎn), 且其能夠在復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行作業(yè)。通過在“8.03”魯?shù)榕诮瓝岆U(xiǎn)中使用航空遙感以及在多次大型演習(xí)中執(zhí)行航拍、航測(cè)任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)并查閱相應(yīng)數(shù)據(jù)資料，對(duì)于山體裂縫掃描、滑坡預(yù)警等災(zāi)情判斷和作業(yè)量計(jì)算，無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)起到了無(wú)可替代的作用。

無(wú)人機(jī)；航空遙感系統(tǒng)；搶險(xiǎn)救援；應(yīng)用

我國(guó)地域廣闊，地質(zhì)、自然環(huán)境復(fù)雜,是災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家之一。為了提高救援效率和質(zhì)量,降低災(zāi)害損失程度,必須實(shí)施統(tǒng)一、高效、快速的應(yīng)急救援指揮體系。而提高應(yīng)急救援效率的關(guān)鍵因素是迅速、準(zhǔn)確獲取災(zāi)害發(fā)生后的第一手災(zāi)情信息。無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)非常適合于各種自然災(zāi)害的應(yīng)急救援，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)區(qū)域的無(wú)人偵測(cè)，加快了災(zāi)情數(shù)據(jù)的收集，提高了指揮決策研判的準(zhǔn)確性。筆者介紹了無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的組成,結(jié)合無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在魯?shù)榕诮呷烹U(xiǎn)、聯(lián)訓(xùn)聯(lián)演和“衛(wèi)士-15”演習(xí)中的應(yīng)用情況, 總結(jié)了其在應(yīng)急搶險(xiǎn)救援方面的作用。

1　無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的組成

無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)主要由無(wú)人駕駛飛行器、飛行控制系統(tǒng)、穩(wěn)定云臺(tái)、任務(wù)傳感器、無(wú)線通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分析系統(tǒng)以及地面控制系統(tǒng)等幾部分組成。

1.1無(wú)人駕駛飛行器(UAV)

無(wú)人駕駛飛行器由發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)、飛行控制單元、無(wú)線通訊單元、 GPS單元、慣性測(cè)量單元、云臺(tái)等組成。根據(jù)飛行方式，可將其劃分為直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)。通常，根據(jù)成像系統(tǒng)所需分辨率高低，以及低原、高原對(duì)飛行器的任務(wù)需要，固定翼的動(dòng)力系統(tǒng)通常采取油動(dòng)和電動(dòng)兩種方式。

以ZHAP-1油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)為例(圖1),其性能參數(shù)如下：翼展為2 650 mm；機(jī)身長(zhǎng)1 980 mm；機(jī)載設(shè)備最大重量為3.5 kg；最大起飛重量為16 kg；起飛速度為55 km/h；巡航速度為135 km/h；降落速度為48 km/h；失速速度為40 km/h；飛行時(shí)間為120～180 min。其飛行姿態(tài)穩(wěn)定，載重量大，續(xù)航時(shí)間很長(zhǎng)，可攜帶相機(jī)、吊艙以及飛控、電臺(tái)等設(shè)備，抗風(fēng)5～7級(jí)，抗中雨，可在高原地區(qū)飛行。

圖1　ZHAP-1油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)

1.2飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)通過自動(dòng)調(diào)參，智能適應(yīng)飛行狀態(tài)，智能檢測(cè)飛行狀態(tài)、高精度差分GPS定位實(shí)現(xiàn)飛行器自駕飛行。主要包括主控(MC)、慣性測(cè)量單元(IMU)、GPS、電子調(diào)速器和接收機(jī)等。

1.3無(wú)線通信系統(tǒng)

無(wú)線通信系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)在作業(yè)和信息傳輸過程中不可缺少的一部分，通常采取電臺(tái)以電磁波的形式進(jìn)行飛機(jī)和地面控制系統(tǒng)的信息傳輸與全程控制。無(wú)人機(jī)無(wú)線通信系統(tǒng)主要搭載可見光相機(jī)、CCD攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、超光譜成像儀、數(shù)字電臺(tái)、數(shù)字圖傳及其它類型傳感器。

1.4地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)采用GPS、IMU、MC獲取位置、高度及航向等信息，通過電臺(tái)和地面站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換以規(guī)劃飛行任務(wù)和姿態(tài)校驗(yàn)(圖2)。

圖2　YS09無(wú)人機(jī)地面指揮控制中心界面

1.5數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分析系統(tǒng)

地面站軟件在運(yùn)行過程中會(huì)將地面站與自駕儀設(shè)備通過數(shù)據(jù)鏈路交互的通訊數(shù)據(jù)保存下來(lái)，其包含任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間、經(jīng)緯度、航域、影像重疊率等信息。通過圖像處理軟件對(duì)含有POS數(shù)據(jù)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2　無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在“8.03”魯?shù)榕诮呷岆U(xiǎn)中的應(yīng)用

2014年8月3日16時(shí)30分，在云南省昭通市魯?shù)榭h(北緯27.1°，東經(jīng)103.3°)發(fā)生6.5級(jí)地震，震源深度12 km，余震一千余次。地震引發(fā)了大量崩塌、滑坡、泥石流，牛欄江兩岸山體同時(shí)滑坡，形成堰塞湖，導(dǎo)致下游一小型電站被埋，大部分國(guó)道、省道、鄉(xiāng)村道路嚴(yán)重破壞, 給搶險(xiǎn)救援工作造成難以想象的困難。

地震發(fā)生后, 我部攜帶固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū),利用多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)兩岸山體裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)掃描, 利用T2P和F1P兩架固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)牛欄江堰塞湖周邊20 km范圍進(jìn)行航空遙感測(cè)繪，形成了高分辨率遙感偵測(cè)圖像并生成災(zāi)區(qū)數(shù)字高程三維模型，快速分析了河道損毀情況和堰塞體作業(yè)量評(píng)估,為指揮決策、兵力部署、戰(zhàn)法研究、監(jiān)測(cè)預(yù)警和泄洪槽的開挖作業(yè)起到了不可替代的作用(圖3、4)。

圖3　牛欄江堰塞體航空遙感圖

圖4　右岸山體裂縫航拍圖

3　無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在聯(lián)訓(xùn)聯(lián)演和“衛(wèi)士-15”演練中的應(yīng)用

2014年7月和2015年5月，我部組織了四川方向聯(lián)訓(xùn)聯(lián)演和“衛(wèi)士-15”演習(xí)(圖5、6)，演習(xí)地點(diǎn)分別為四川省都江堰市崇義鎮(zhèn)和西藏自治區(qū)日喀則拉洛鄉(xiāng)，海拔分別為650 m和4 300 m。

為了在低原和高原兩種情況下實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)救援遠(yuǎn)程偵測(cè)，收集地理信息數(shù)據(jù)，偵測(cè)組先后利用多架無(wú)人機(jī)對(duì)堤壩處置區(qū)、拉洛水利樞紐、定日至薩迦縣國(guó)道和道路搶通路段進(jìn)行了航拍、航測(cè)和實(shí)時(shí)傳輸，形成了高分辨率遙感偵測(cè)圖像，推動(dòng)了演習(xí)的順利進(jìn)行。

特別是在高海拔地區(qū)作業(yè)時(shí)，干擾無(wú)人機(jī)的因素很多，我們通過分析和總結(jié)，積累了很多在高寒地區(qū)遙感測(cè)繪的經(jīng)驗(yàn)。

情況一：在兩山夾一溝的地形下，風(fēng)速快、變化大，無(wú)人機(jī)相對(duì)速度過低會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)失速。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：在海拔超過3 500 m時(shí)，特別是山谷地帶，當(dāng)風(fēng)速超過4級(jí)時(shí)，巡航速度小于100 km/h的固定翼無(wú)人機(jī)不適合飛行，無(wú)人機(jī)應(yīng)該避免在這種區(qū)域進(jìn)行低空遙感，應(yīng)選擇風(fēng)速較小的開闊地帶和巡航速度≥100 km/h的固定翼無(wú)人機(jī)作業(yè)，爬升到制定高度后，再對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航空測(cè)繪。

圖5　堤壩損毀正攝投影圖(都江堰架青橋)

圖6　“衛(wèi)士-15”道路搶通(海拔4 300 m)

情況二：受海拔影響，空氣密度較低，晝夜溫差大，電池放電曲線下降，機(jī)載設(shè)備過重，電機(jī)kV值低會(huì)導(dǎo)致過載，瞬間電流超過峰值，致使無(wú)人機(jī)失控。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：在海拔超過3 500 m的地區(qū)，電池應(yīng)選用放電量大于25 C的高性能LI-PO電池，并配置相應(yīng)高kV值的電機(jī)，計(jì)算整機(jī)荷載能力。根據(jù)伯努利原理，空氣越稀薄，飛機(jī)轉(zhuǎn)速低會(huì)導(dǎo)致上下翼面的相對(duì)靜壓力較小，無(wú)法依托機(jī)身所攜帶記載設(shè)備的重量；瞬間放電量大，會(huì)使電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，電池過熱致使放電不均衡，飛控?zé)o法處理過載信號(hào)而導(dǎo)致飛控失靈。通常在高寒地區(qū)，應(yīng)根據(jù)槳葉的尺寸和電機(jī)kV值計(jì)算出電機(jī)

所能提供的扭力，選擇相應(yīng)的機(jī)架和荷載重量。對(duì)于大于六軸的旋翼無(wú)人機(jī)電機(jī)kV值的選取應(yīng)不小于400 rpm/V，應(yīng)選擇超過4 000行代碼的高精度飛控，且做好電子設(shè)備的防寒、防潮與保暖。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過多次實(shí)戰(zhàn)和演習(xí)中對(duì)多種機(jī)型的無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)踐操作取得的經(jīng)驗(yàn)，筆者得出以下結(jié)論：

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)具有快速響應(yīng)、低成本、獲取數(shù)據(jù)信息高效準(zhǔn)確、可對(duì)空中危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，空中測(cè)量性能突出，是搶險(xiǎn)救援的新型手段。尤其是近年來(lái)，隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)已能達(dá)到長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)距離、高精度的要求，地面遙控作業(yè)的方式，有效回避了常規(guī)空中測(cè)量在時(shí)間上、風(fēng)險(xiǎn)上、成本上的難題，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通載人航空遙感受云層遮擋無(wú)法獲取影像的缺陷。在人員往往無(wú)法到達(dá)或不能前往的危險(xiǎn)區(qū)域，利用無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)情調(diào)查與評(píng)估以及救援指揮,更顯示出其具有的、獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

常規(guī)的災(zāi)情預(yù)警周期長(zhǎng),成本高,不利于搶險(xiǎn)救援的實(shí)際需要，而無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)作為衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的補(bǔ)充手段,在災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)救援方面具有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-07-21

X4;TV221.1;TV53+9

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1001-2184(2016)04-0068-03

劉亞爽(1990-)，男，四川成都人，助理工程師，學(xué)士，從事災(zāi)情偵測(cè)工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆樹人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

林芳芳(1985-)，女，安徽天長(zhǎng)人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.