面向場景識別的復(fù)合式水陸兩棲消防無人機(jī)概念設(shè)計

孫宇昂

摘要：針對目前農(nóng)村消防存在的設(shè)施落后，應(yīng)急能力不足，交通落后等問題，提出了通過消防無人機(jī)進(jìn)行火災(zāi)防控的方法。該方法通過設(shè)計具備場景實時識別和預(yù)測能力的復(fù)合式水陸兩棲無人機(jī)，并建立完善的無人機(jī)指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為農(nóng)村的火災(zāi)防控提供技術(shù)支持與參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式無人機(jī);水陸兩棲;人工智能

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.096

隨著農(nóng)村生活水平和生活質(zhì)量的提高，農(nóng)村的用電、用氣、用火頻率大大升高，但是由于缺乏必要的火災(zāi)防控措施，加上交通不便，村民消防意識淡薄，火災(zāi)防控能力薄弱，致使火災(zāi)對農(nóng)村居民的財產(chǎn)及生命安全造成重大威脅。2001年9月11日，廣西江縣富祿鄉(xiāng)高安村發(fā)生火災(zāi)，致使經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3263萬元。目前針對農(nóng)村防火，已有的解決方案主要為：（1）加大宣傳力度，提高村民消防意識;（2）完善農(nóng)村消防組織。已有的解決方法具有解決消防問題的能力，但是具有落實困難，實施周期長以及受村民主觀意識影響嚴(yán)重，同時需要消耗大量的人力物力，此外，仍然受交通和地形嚴(yán)重限制。而消防無人機(jī)已經(jīng)在大量的消防救援中體現(xiàn)了其相應(yīng)快速，安全可靠，耗費人力少的明顯優(yōu)勢。本文提出的復(fù)合式無人機(jī)具有垂直起降和水陸兩棲功能，對復(fù)雜地形具有極高的適應(yīng)性，實時場景識別與預(yù)測系統(tǒng)結(jié)合人工智能使無人機(jī)的后臺指揮效率大大提高。同時，結(jié)合完善的調(diào)度站系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，精確打擊以及低損耗。該方案可以大大解放人力，具有落實簡單，實施時間短，安全性高的特點。本文將從無人機(jī)氣動外型，結(jié)構(gòu)設(shè)計，操控系統(tǒng)以及調(diào)度站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面進(jìn)行論述。

1總體氣動布局

飛行器總體采用復(fù)合式布局，布局形式如下：在機(jī)體上方布置特型旋翼，機(jī)體中部布置固定翼（后文簡稱為機(jī)翼） 及舵面，并在機(jī)翼上布置矢量推力裝置，由中央動力系統(tǒng)經(jīng)傳動系統(tǒng)分配動力，機(jī)身尾部布置尾翼及舵面。飛行器起飛過程分為垂直起降狀態(tài)，過渡狀態(tài)和平飛狀態(tài)。過渡狀態(tài)時，由垂直起降過渡為平飛狀態(tài)時矢量推動裝置推力增大，在機(jī)身重量逐漸由機(jī)翼承擔(dān)時，特型旋翼轉(zhuǎn)速逐漸減緩直至鎖死。由平飛模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪逼鸾的Ｊ綍r，矢量推動裝置推力下降，機(jī)身重量轉(zhuǎn)至特型旋翼，同時特型旋翼逐漸加速，至完全承擔(dān)機(jī)身重量。該設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢是與CRW飛行器具有相似的布局形式。這樣的構(gòu)型特點使得高速飛行時升阻特性和動力系統(tǒng)的推進(jìn)效率高于高速直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，具有更寬的飛行包線，同時升力和水平推力控制解耦，可實現(xiàn)平穩(wěn)的過渡轉(zhuǎn)換飛行。與傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相比，復(fù)合式無人機(jī)具有更高的安全性與穩(wěn)定性，而與美國的鷂式等垂直起降的固定翼飛行器相比，復(fù)合式無人機(jī)具有更高的懸停效率，極有利于應(yīng)對定點的火災(zāi)撲滅。

復(fù)合式無人機(jī)技術(shù)由成熟的直升機(jī)技術(shù)和固定翼飛行器技術(shù)整合而成，具有極高的可行性，無人機(jī)總體氣動布局為旋翼固定翼復(fù)合布局，其中固定翼選用單翼布局，旋翼選用單旋翼布局，分別在平飛模式和垂直起降模式提供主要升力。故旋翼沿機(jī)身縱軸布置于重心位置，位于機(jī)翼上方。為減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量，尾翼選取V型尾翼布局，布置于旋翼滑流之外。兩個矢量推力裝置布置于機(jī)翼后緣，綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計和滑流干擾的影響，推進(jìn)裝置沿展向布置于旋翼滑流影響區(qū)域外。復(fù)合式設(shè)計的技術(shù)優(yōu)勢使本文設(shè)計的無人機(jī)擁有極高的環(huán)境適應(yīng)能力，足以應(yīng)對偏遠(yuǎn)山村的火災(zāi)撲滅。儲水系統(tǒng)采用背負(fù)式水箱設(shè)計，機(jī)身使用船身式設(shè)計，同時機(jī)翼下方加裝浮筒，飛機(jī)相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1。

飛行器的飛行任務(wù)剖面圖涵蓋飛行器起飛、爬升、過渡、巡航、任務(wù)執(zhí)行、下降、著陸的整個過程。根據(jù)任務(wù)需求分為兩種情況：一次性滅火和多次滅火的飛行任務(wù)，如圖1-2所示。圖1為滅火彈一次性滅火任務(wù)剖面圖，圖2是滅火彈與水相配合多次滅火任務(wù)剖面圖。

2火場偵察預(yù)測系統(tǒng)

大量消防無人機(jī)在應(yīng)對火場救災(zāi)時收集信息大多為后方控制人員提供輔助，大量的時間和人力被用于對火場形式的判斷和分析上，而農(nóng)村火災(zāi)因為農(nóng)村建筑物布局的不合理以及存在大量木質(zhì)結(jié)構(gòu)，極易蔓延，同時部分農(nóng)村處于森林附近，失去控制的火災(zāi)極易引發(fā)森林火災(zāi)。因此，使用計算機(jī)代替人員進(jìn)行決策是十分必要的，人工智能和相關(guān)火災(zāi)學(xué)的進(jìn)步也為其提供了有利的技術(shù)支持。

無人機(jī)通過搭載可見光相機(jī)和紅外線攝像機(jī)，收集火場發(fā)展動態(tài)，同時配合數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合計算機(jī)構(gòu)建模型可以實現(xiàn)有效的對火災(zāi)蔓延趨勢的判斷和預(yù)測，實現(xiàn)無人機(jī)的火場場景純自動化構(gòu)建與動態(tài)預(yù)測，可以大大節(jié)約人力成本，并為火災(zāi)撲滅提供寶貴的時間。目前應(yīng)用廣泛的是Rothermel模型，他在芬特遜研究的基礎(chǔ)上于1972年提出如下的蔓延模型。

R=Ir*F（1+5w+s）/（Qb*E*Qig） （1）

式中R為火蔓延速度，Ir為火反應(yīng)強(qiáng)度，F(xiàn)為與熱傳播有關(guān)的系數(shù)，w和s分別為風(fēng)和地形坡度數(shù)，Qb為可燃物復(fù)合體烘干后的體密度，E為與體密度有關(guān)的加熱系數(shù)，Qig為點燃單位重量可燃物需要的熱量。同時，結(jié)合人工智能的學(xué)習(xí)能力，對火災(zāi)后收集的信息進(jìn)行分析與整理，可以實現(xiàn)應(yīng)對不同火災(zāi)情況時的火源精準(zhǔn)打擊，大大提高無人機(jī)火災(zāi)撲滅效率。無人機(jī)通過搭載可見光相機(jī)和紅外線攝像機(jī)，配合計算機(jī)進(jìn)行火災(zāi)發(fā)生范圍，火場發(fā)展動態(tài)分析，高光譜成像儀，為災(zāi)后損失評估提供參考。

3水陸兩棲結(jié)構(gòu)起降系統(tǒng)

假設(shè)無人機(jī)所處位置擁有較多的天然湖泊、河流或者水庫，在無人機(jī)單次投放滅火彈無效時，可以考慮通過就近取水實現(xiàn)進(jìn)一步的火災(zāi)撲滅。因此，水陸兩棲的必要性十分重要，采用船身型設(shè)計并在機(jī)翼下方搭載浮筒，使無人機(jī)在最大起飛重量的情況下也可以保證飛機(jī)吃水線的穩(wěn)定。浮筒浸入水下部分通過水泵抽取水源并輸送至無人機(jī)背部水箱。浮筒可收入機(jī)艙內(nèi)部以保證氣動外型，減小阻力，水面著陸時，無人機(jī)由平飛轉(zhuǎn)至垂直起降模式，浮筒伸出，起飛時，為應(yīng)對大幅度增加的重量，矢量推動裝置配合特型旋翼同時加速，無人機(jī)經(jīng)過短距離滑行后離開水面。為應(yīng)對機(jī)場著陸，在機(jī)身兩側(cè)以及前部安裝起落架，起落架在續(xù)航以及水面著陸時收入機(jī)艙內(nèi)部。機(jī)場著陸時，機(jī)翼下方浮筒收回，起落架展開，無人機(jī)垂直降落。水陸兩棲使無人機(jī)具有更高的環(huán)境適應(yīng)能力，應(yīng)對復(fù)雜著陸環(huán)境時具有無可比擬的優(yōu)越性。

4調(diào)度站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

為應(yīng)對散點式分布的農(nóng)村布局，實現(xiàn)短時間內(nèi)的火災(zāi)撲滅，需要建立完善的無人機(jī)調(diào)度站系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域的全覆蓋。調(diào)度站擔(dān)任以下職能：（1）為無人機(jī)提供日常修理，維護(hù)與著陸場所;（2）儲備救火必需物資;（3）三座調(diào)度站配合全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實時定位無人機(jī)位置，確保農(nóng)村信號不穩(wěn)定情況下的航向無誤;（4）中心調(diào)度站負(fù)責(zé)無人機(jī)指派任務(wù)。中心調(diào)度站委派任務(wù)依據(jù)就近原則，同時較遠(yuǎn)的下屬調(diào)度站實時待命，遭遇特大型火災(zāi)時待命無人機(jī)視情況參與救援。調(diào)度站基本流程如圖3。流程圖包括由安裝于村莊的火災(zāi)警報器發(fā)出火警信號，火警信號被中心調(diào)度站接收后按就近原則向下屬調(diào)度站發(fā)布任務(wù)部署，下屬調(diào)度站派出無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，并收集實時信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，較遠(yuǎn)下屬調(diào)度站處于待命準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時根據(jù)火情和無人機(jī)狀態(tài)參與救援。

調(diào)度站采用六邊形的嵌套作為分布規(guī)律，首先以位于大城市的中心調(diào)度站向外分布出六邊形責(zé)任范圍，位于六邊形定點的為位于縣城的縣級中心調(diào)度站，輔助位于中心城市的中心調(diào)度站進(jìn)行下屬調(diào)度站任務(wù)部署，由縣級中心調(diào)度站再向外輻射出六邊形責(zé)任范圍，六邊形頂點為下屬調(diào)度站，各個六邊形實現(xiàn)相互嵌套，足以確保任何著火點至少有兩個以上的調(diào)度站負(fù)責(zé)，確保火災(zāi)的有效撲滅，分布示意圖如圖4所示。

圖中乙為位于中心城市的中心調(diào)度站，丙為縣級中心調(diào)度站，甲為下屬調(diào)度站。六邊形嵌套模型為理論形式，實際分布情況需要結(jié)合地區(qū)實際情況進(jìn)行設(shè)計。

5安全性分析

飛行器執(zhí)行任務(wù)時，安全性是處于首位的，尤其是處于山區(qū)中執(zhí)行火災(zāi)撲滅工作。山嶺對飛行器的安全性造成極大的威脅，采用無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)從根本上杜絕了人力的損失。無人機(jī)采用復(fù)合式設(shè)計，具有垂直起降能力，具有對山區(qū)環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)性。水陸兩棲設(shè)計，為無人機(jī)提供了優(yōu)異的緊急迫降能力。

調(diào)度站的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實時收集天氣情況，對無人機(jī)進(jìn)行信息支持，以應(yīng)對氣候多變山區(qū)地區(qū)的特殊情況。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為消防無人機(jī)提供較為精確的導(dǎo)航信息，調(diào)度站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供測距無線電導(dǎo)航，同時飛行器自身配備慣性導(dǎo)航和圖形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)山區(qū)信號不穩(wěn)定情況的自主導(dǎo)航。多導(dǎo)航系統(tǒng)的相互配合大大提高飛行器的導(dǎo)航精度和可靠性，保障飛行器安全。先進(jìn)的計算機(jī)系統(tǒng)和自動避障算法為飛行器提供了優(yōu)異的避障能力，足以應(yīng)對山區(qū)復(fù)雜的地形，確保無人機(jī)的安全。

6結(jié)論

本文針對農(nóng)村由于交通不便和消防設(shè)施落后導(dǎo)致的火災(zāi)撲滅困難問題，提出了通過無人機(jī)進(jìn)行火災(zāi)撲滅的方法，針對該目標(biāo)設(shè)計了面向場景實時識別的復(fù)合式水陸兩棲無人機(jī)的概念設(shè)計。該飛行器在動力系統(tǒng)上仍然采用傳統(tǒng)的燃油作為動力，總體布局采用復(fù)合式設(shè)計，具有懸停效率高，巡航速度快的優(yōu)勢?；饒鰣鼍暗膶崟r識別與預(yù)測確保了滅火任務(wù)的高效率與精準(zhǔn)性。多導(dǎo)航系統(tǒng)的配合，確保了飛行器的導(dǎo)航精度，提高了飛行器的安全性，并使其具有應(yīng)對多山地區(qū)的能力。水陸兩棲設(shè)計使無人機(jī)具有降落于水面取水或緊急迫降的能力，另外，本文提出的調(diào)度站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)以城市為中心的周邊農(nóng)村全覆蓋，確保對絕大部分農(nóng)村火災(zāi)的高效率，高精度滅火打擊。本文設(shè)計的消防無人機(jī)及消防方案為農(nóng)村的消防工作提供了技術(shù)支持與參考。

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