無人機自組網系統設計及其在震后災情觀測中的應用

原軍鋒，王漢青，安衛國，費 煒

（1.北京優云智翔航空科技有限公司，北京 100016；2.北京享飛網絡科技有限公司，北京 100016；3.易瓦特科技股份公司，湖北 武漢 430100）

0 引 言

近年來，隨著高科技技術的迅速發展，在獲取空間信息方面，無人機具有靈活機動、快速高效、作業成本低以及作業范圍廣等特點，因此在多個領域得到了廣泛應用，如物流、巡檢安防、測繪、農業以及直播等。

在震后災情觀測領域，長期以來，普通工作人員多采用傳統觀測方式，依靠經驗來判斷震后災情狀況，存在著成本高、效率低、人力安全保障低以及精度低等問題。特別對于一些地震后的危房觀測而言，由于余震的原因，此時讓工作人員進入房屋內部進行檢測對其人生安全會有較大威脅。相比之下，小體積的無人機利用自身獨特的快速標記方式和視角優勢，可實現多角度和全覆蓋的拍攝，能使檢測數據資料更加完整，擁有易操作和成本低等眾多優勢，更重要的是可以降低工作人員的風險[1]。本文介紹了無人機在災情觀測領域的優缺點，初步探討了無人機的相關軟、硬技術，并研究了無人機自組網系統的應用。

1 無人機通信及自組網能力構成

針對各行各業，無人機有著各自不同的要求。而在震后災情觀測領域，無人機有著針對性的硬件需求。對于震后災情觀測使用的無人機的硬件，主要包括飛行器、傳感器組、圖像采集模塊、數據存儲與傳輸模塊以及電池等幾個部分，同時還要具備環境適應能力、指令理解能力、信息物理融合能力及學習和凈化能力等[2]。

1.1 硬件組成

1.1.1 飛行器

針對危房的室內檢測，由于室內空間較小，只能選用體積較小的無人機。同時，為了確保無人機在數據采集的過程中具有較高的穩定性，飛行器制作應采用強度和密度較高的材料，飛行方式選擇多旋翼式。為此，無人機震后災情觀測宜采用碳纖維多旋翼微型無人機作為飛行器主體，同時對飛行器的機翼設置安全防護，防止無人機與危房發生碰撞。

1.1.2 傳感器組

為了監測和控制無人機的飛行狀態，在無人機上安裝傳感器組。該傳感器組由環境光傳感器、傾角傳感器、高精度激光測距傳感器以及加速度傳感器組成[3]。其中，環境光傳感器用來采集房屋內部光線條件，提醒操作人員切換相機，傾斜傳感器采集圖像采集模塊傾角和無人機的旋翼傾角等飛行姿態數據，從而保證無人機在確定位置后角度不會發生偏差，高精度光測距傳感器用來采集無人機與周圍墻面距離，判斷無人機的相對位置，并保證無人機與周圍平面相對垂直，減小圖像的畸變，加速度傳感器用來采集飛行器的航線數據，避免無人機與危房發生碰撞。

1.1.3 圖像采集模塊

無人機在采集室內危房的圖像數據過程中需要使用不同的相機，主要分為長焦相機、短焦相機以及紅外相機。當需要檢測危房的外部輪廓線或者測量裂縫的長度時使用長焦相機，當檢測細部破損時可以使用短焦相機，在弱光或者無光的條件下時，無人機可以使用紅外相機[4]。同時，為保證相片的高清晰度，所有相機配置三軸穩定裝置。

1.1.4 數據處理傳遞模塊

為了保證數據的時效性，在無人機上設置數據處理傳遞模塊。該模塊一方面要處理無人機的飛行狀態，包括圖像數據、航向數據、光線條件數據、姿態數據以及距離數據，另一方面又要通過WiFi信號保證無人機與地面站之間的穩定傳輸[5]。

1.1.5 續航時間高電池

為了保證無人機的長時間作業，降低成本，減少來回更換電池的時間，無人機采用續航時間高的電池，如高能量密度電池。該電池在同等質量的情況下，電池的容量更高，可以在一定程度上緩解無人機的負載問題。

1.2 能力構成分析

1.2.1 環境自適應能力

環境自適應能力是現代無人機系統非常關鍵的一項能能力，擁有這一能力的無人機控制系統能夠根據環境的不同對無人機通信系統進行調整和優化[6]。目前，無人機環境自適應能力涉及到物理環境自適應、電磁環境自適應以及系統環境自適應，具體如圖1所示。

圖1 無人機系統環境自適應能力需要應對的3種環境

1.2.2 指令理解能力

指令理解能力是無人機組網及實現自主飛行的關鍵所在，最為理想的情況是無人機放飛之后，不需要人為對其進行控制就能夠較好的完成任務指令。

1.3 信息物理融合能力

信息物理融合能力也可以理解為智能化性能。無人機的智能化主要體現在對于資源的整合與利用方面，在實際運行中能夠調配的資源主要有通信資源和計算資源等，提升其信息物理融合能力，就能夠通過計算選擇出最佳的路線與任務執行方案[7]。

1.4 學習和進化能力

學習與進化能力是高端無人機的重要發展方向，也是無人機智能化的重要體現。隨著現代智能化技術與AI技術在無人機系統中的應用，學習與進化能力越來越被無人機制造商所重視。

2 無人機自組網系統設計

2.1 系統總體架構

本項目主要基于優云（U-Cloud）無人機云系統研究和開發一個大地震災后無人機快速組網與協同觀測全棧平臺，通過該平臺不僅能夠接入參與災情活動的各品類無人航空器，而且能夠實現對災場無人機航空器協同任務規劃、統一調度、協同指揮以及實時監視，并且能夠按照民航局CCAR-91部要求將無人機位置數據回傳給民航局數據中心，接受政府部門監管，進而使領導和災場搜救人員能夠實時看到所有航空器執行任務綜合態勢和組網情況，滿足災場多品類航空設備統一調度和高效管理的基本需求，并為相關人員制定最佳應急和展示方案提供數據支撐。

用戶界面設計如圖2所示，整個界面簡單易懂，操作按鈕放置位置明顯、清楚，頁面層次盡量少，控制布置整齊，界面組件的設計遵循簡潔統一的原則。

圖2 無人機自組網系統整體設計

2.2 系統功能模塊

以優云系統為基礎支撐平臺，進行相關算法研究和功能研制及開發。包含任務規劃、智能調度以及無人機監視等功能。災場工作人員新建任務后，系統根據無人機數量，將災情所需的總任務區域劃分成獨立的任務區域，便于多架無人機在各自的任務區域內同時作業，互不干擾，使得無人機群的效益最大化，即在一定時間內獲得盡可能多的有效信息[8]。可利用PC端和手機App等終端進行任務管理與無人機監視，滿足災場多品類無人機航空器統一調度和高效管理的基本需求，能夠極大縮短災情驅動下相關任務的完成時間，從而能夠提高災情驅動下相關任務的完成率。

2.3 系統管理

管理平臺用戶，為系統管理員、地面站操作人員以及災場工作人員3種角色分配固定的功能權限，并對賬號進行查看、刪除及重置密碼等操作。系統在用戶登錄時對登錄信息進行驗證，不同角色的用戶在登錄后顯示不同的功能，用戶可以訪問而且只能訪問自己被授權的資源。系統管理界面如圖3所示，系統日志可記錄系統問題的信息，記錄系統成員登錄系統和在系統內的操作信息，進行記錄管理。

圖3 系統管理界面

2.4 設備管理

設備管理可以對無人機設備和追蹤設備等進行數據添加與維護，包括對無人機和追蹤設備的管理和工作狀態監測。無人機注冊時通過提交追蹤設備S/N碼驗證綁定追蹤設備，系統管理員在進行資源分配時分配綁有追蹤設備的無人機，節約時間。對設備信息的新增、修改、刪除以及查看可以有效地管理設備資源，維護設備的正常運轉，提高工作效率[9]。監測無人機和追蹤設備從正常狀態到廢棄狀態的整個過程中，需確保執行任務時分配的設備處于正常工作狀態，為順利執行無人機飛行任務提供保障。

2.5 飛行記錄管理

飛行記錄是指無人機執行一次飛行任務時從上線到下線過程的所有飛行數據。將任務相關無人機飛行軌跡信息記錄到數據庫中，可通過任務名稱、開始時間及結束時間來查詢無人機的飛行記錄，點擊左側播放列表可查看任務區域，回放無人機的飛行過程，查看無人機飛行軌跡、高度和速度信息以及屬性和飛行信息，掌握和了解歷史作業的情況[10]。

2.6 任務管理

任務管理用來新建任務，規劃任務區域，對無人機進行調度分配，執行任務，可支持多架無人機快速組網。通過任務管理模塊能夠對無人機的任務進行設定與安排，并對飛行區域進行限定。在任務執行期間，任務管理直接關系到無人機飛行的安全性和任務執行效率等相關問題，所以必須要重視無人機的任務管理工作，通過優化任務管理模塊，促進無人機作用的充分發揮，這與無人機自組網系統設計有著非常緊密的關聯。在面臨多無人機覆蓋搜索問題時，將無人機作業任務區域進行分割，每個子區域內單機覆蓋搜索，大大降低了任務難度[11]。在歷史任務中可查看已完成的任務信息，任務統計所有任務總數、無人機飛行架次以及總航時等任務數據，通過時間來過濾統計信息。任務管理模塊如圖4所示。

圖4 任務管理模塊

2.7 App管理模塊

App管理模塊如圖5所示，可以查看分配到自己的任務，監視任務相關的無人機，通過追蹤設備將無人航空器航跡數據實時回傳到云服務器上。在App上查看任務相關無人機所在任務區域、實時位置、飛行軌跡以及飛行信息，便于了解任務執行情況。

圖5 App管理模塊

3 結 論

當前社會發展中，針對大地震發生后災情信息快速獲取的迫切需求，為滿足災后無人機快速應急響應能力需求，現研究在災場任務驅動下，如何科學合理統籌規劃任務進行任務調度，管制空域信息查看、無人機監視以及實時任務監視具有重要意義，因此本文提出無人機自組網系統。