城市突發性公共事件中多無人機協同監測關鍵技術研究

肖祖銘 郭瞻

摘 要：城市突發公共事件時，第一時間發出預警信息尤為必要。近年來，國內外紛紛深入研究以無人機為基礎的城市突發性公共事件應急指揮平臺，且取得了較大的成果。基于此，本文重點論述城市突發性公共事件中多無人機協同監測關鍵技術的研究內容、研究目標和擬解決的關鍵問題，并概括了設計方案，希望能為相關部門提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：突發性公共事件;無人機;協同監測

中圖分類號：V355.2;TP18文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0035-02

Abstract： It is particularly necessary for us to issue early warning information in the first place when public emergencies occur in cities. In recent years， there have been in-depth studies on the UAV-based emergency command platform for urban public emergencies at home and abroad， and great achievements have been achieved. Based on this， this paper focused on the key technologies of multi-UAV cooperative monitoring in urban public emergencies， including research content， research objectives and key issues to be solved， and summarized the design scheme， hoping to provide useful reference for relevant departments.

Keywords： sudden public events;unmanned aerial vehicle; synergetic monitoring

隨著我國經濟建設水平日益提升，城市化進程處于穩步發展時期。基礎設施現代化水平越來越高、城市人口急劇增多，既為經濟發展和社會進步提供了必不可少的支撐，又為公共安全、市政、城市交通等多個領域帶來了一定程度的安全隱患。所以，當城市突發公共事件時，第一時間發出預警信息尤為必要。近年來，國內外學者專家逐漸深入地研究以無人機為基礎的城市突發性公共事件應急指揮平臺。其可以全天24h小時監測，不會受到復雜地面環境的影響。

1 研究內容與擬解決的關鍵問題

本課題旨在研制和設計一種具備航拍、無線視頻監控、監測有毒有害氣體等多種功能于一體的多無人機協同災害監測技術平臺，其能夠在應急現場進行多項監測活動。由于多架無人機能攜帶不同類型的傳感器，因此，可以同時從各個位置收集各種環境信息，且能共享探測信息，有效克服了單架無人機載荷有限、任務單一的問題。

1.1 主要研究內容

①多無人機協同災害應急監測的相關飛行控制策略。本課題充分利用景德鎮學院精心研制的某型2-3架旋翼無人機，建立與設計了多無人機旋翼式協作平臺，成功完成了飛行控制計算機系統的研制工作，打造了機載多傳感器系統，實現了協同飛行控制策略的有效設計，構建了地面站系統。

②多無人機協同災害應急監測領域的任務分配技術。多無人機在開展協同災害應急救援活動以及任務的過程中，重點在于跟蹤以及檢測突發事件的相關環境。多無人機在整個過程中，應該有效地組織自身，以及時完成以上監測任務;探討和研究協同報警確認的相關技術、協同探測的相關算法、協同任務分配決策的相關算法。

③多無人機協同在開展災害應急監測過程中的試驗驗證。從多無人機協同平臺來看，借助多無人機協同探測技術，有效地監測地震、火災等各類突發事件，針對應急救助試驗，開展相應的演示驗證活動[1]。

1.2 擬解決的技術難題

①為旋翼無人機設計自主飛行控制系統的相關技術以及方法;②多無人機的數據鏈技術、任務分配技術;③在復雜的城市環境下多無人機應急監測突發事件的相關技術。

2 多無人機協同監測關鍵技術

2.1 微型四旋翼式無人機飛行控制系統設計

本課題運用了景德鎮學院精心研制的2-3架微型四旋翼式無人機，其飛控系統主要由以下幾部分組成。

2.1.1 飛行控制計算機。首先，應該立足于ARM電腦技術，設計和完善相應的飛行控制系統。在此過程中，飛行控制計算機主要完成下列任務：①接收從遙測遙控數據電臺傳輸過來的各種地面指令信號，并將各個無人機的實際狀態信號返回到地面測控系統中;②完成航向、橫向及縱向通道的增穩控制;③按照導航控制提供的相關航跡指令，有效控制無人機的具體航跡;④在復雜多變的環境中，完成控制自主導航、自主任務規劃及自主飛行的任務。

2.1.2 執行機構。無人機的尾槳距及旋翼槳距的驅動機構包含三套俯仰和橫滾舵機，一套尾槳舵機，而且還有一套風門舵機用來控制發動機上面的油門[2]。此類電動伺服舵機由配置了位置反饋的控制器和直流伺服電機共同組成，按照飛行控制電腦的相關指令信號，輸出對應舵機上的驅動電壓，以獲得和電壓成一定比例的轉角或者直線位移，促使自動傾斜器直接偏轉，改變尾槳或者旋翼的槳矩角，以實現對無人機姿態的有效控制。

2.1.3 傳感器。無人機傳感器主要包含差分GPS、慣性測量裝置、直線陀螺、智能數字磁場計等，而且還配置了包括超聲傳感器及數字云臺等在內的機載傳感器。

2.1.4 地面測控設備。無人機地面測控站設備主要包括GPS地面站、數據鏈系統、地面站計算機地面操縱與指令箱、有效載荷遙控遙測裝置及飛行狀態測控裝置等。

2.2 多無人機協同區域監測技術設計

本課題把多無人機在城市復雜條件下開展協同區域監測的相關問題作為研究背景，立足于多源圖像信息融合，在協同搜索策略中引入模糊聚類方法，設計的多無人機協同搜索策略以模糊聚類為基礎。該協同搜索策略以空間分解及空間縮減為基礎，其核心理念是在多無人機協同搜索的研究中引入模糊數學的相關內容，以空間位置及關聯壽命為特征矢量，對目標區域的單元格進行相應的聚類劃分，削減了無人機的實際轉場次數，減少了搜索代價方面的無功消耗，搜索性能也得到了提升。

3 結語

本文設計了一種適宜于對城市復雜環境中突發事件進行應急監測的多無人機平臺，其具備航拍、無線視頻監控、監測有毒有害氣體等多種功能，能有效地執行應急現場的諸多監測任務，而且還具有較強的圖像處理、數據鏈無線傳輸和處理功能。未來還將持續深入地改進和優化這種城市復雜環境突發事件應急監測多無人機平臺，以增強其工作性能，提升工作效率，使其更好地監測城市復雜環境下突發事件的狀況，為促進社會和諧穩定提供可靠的技術支持。

參考文獻：

[1]劉慧霞，馬麗娜，李大健，等.無人機多機協同偵察系統關鍵技術[J].火力與指揮控制，2017（12）：1-4.

[2]方挺.無人機協同編隊飛行中的視覺感知關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.