新型無人機消防救援系統(tǒng)的設計研究

衛(wèi)霞，王佳航，朱宇剛，付家珂

（西安明德理工學院信息工程學院，陜西西安 710124）

隨著火災發(fā)生率的提高和撲救難度的上升，現有的消防系統(tǒng)，如防火栓滅火系統(tǒng)、防火分區(qū)系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)等均存在著一定的局限性、滯后性，逐漸呈現出不足之處[1]。如何準確、及時獲知火場情況，快速高效地做出部署成為消防滅火的重中之重。由于無人機靈活性強，不受地形限制，可以快速到達現場，易于遠程操作，成本低，可相對準確地監(jiān)測現場情況[2-3]，為消防人員快速做出正確應對提供支撐，在消防滅火救援工作中凸顯出較好的應用優(yōu)勢。

文中無人機消防救援系統(tǒng)采用模塊化設計，各個模塊相互聯(lián)系又相對獨立，具有較高的通用性。首先對無人機機體結構進行優(yōu)化，提升了無人機的運力；采用大疆Naza-M Lite 搭載NEO-M8N GPS 模塊的飛控系統(tǒng)，確保無人機穩(wěn)定飛行；信息采集傳輸系統(tǒng)設計精簡并可獨立運行，具有通用性，可移植搭載到多種無人機平臺直接使用；救援系統(tǒng)可搭載不同的救援設備，提高了無人機的適用性及靈活性。

1 系統(tǒng)總體設計方案

新型無人機消防救援系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，由機體結構系統(tǒng)、無人機飛控系統(tǒng)、信息采集傳輸系統(tǒng)、救援系統(tǒng)4 個模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

其中機體結構系統(tǒng)、無人機飛控系統(tǒng)和救援系統(tǒng)主要是對現有主流產品，結合消防特殊的使用場景，通過篩選組合出適合該方案的產品，而信息采集傳輸系統(tǒng)則作為該系統(tǒng)最重要的部分，通過聯(lián)調設計實現。下文將詳細介紹各個系統(tǒng)的設計實現。

1.1 無人機飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)作為無人機的“大腦”，指揮無人機完成起飛、飛行、轉向等系列動作，其穩(wěn)定性至關重要[4]。通過多種方案篩選對比，設計的飛控系統(tǒng)采用大疆多旋翼飛行控制器（Naza-M Lite）和NEO-M8N GPS模塊組成。該設計既集成了大疆飛行控制系統(tǒng)創(chuàng)新的All-in-One 設計理念，即將減震設計、控制器、陀螺儀、加速度計和氣壓計等集成在一個控制模塊中，從而實現高度和姿態(tài)鎖定等飛行控制功能[5]，另外，由于NEO-M8N GPS 模塊采用了UBX 協(xié)議，可以使無人機更好地定點懸停，既大大降低了操控難度，又可以在執(zhí)行救援任務時及時發(fā)送定位信息。經調測優(yōu)化后，系統(tǒng)實現了手動、姿態(tài)、GPS 等模式的自動切換，確保無人機穩(wěn)定飛行，為實現救援系統(tǒng)做好鋪墊[6]。

飛控系統(tǒng)實時調整到穩(wěn)定信道，從而提高抗干擾能力，流程如圖2 所示。大疆Naza-M Lite 系統(tǒng)對無刷電機采用（Proportion Integral Differential）PID 算法控制，根據NEO-M8N GPS 模塊生成的定位信息分析計算無人機當時的飛行姿態(tài)，再由姿態(tài)解算單元通過PID 算法生成控制量，飛控系統(tǒng)將控制量發(fā)送至遙控器，操作人員根據當前飛行狀態(tài)，操作遙控器發(fā)送遙控指令到接收器上，從而實現對無人機的角度控制[7-8]。遙控器與飛控系統(tǒng)可支持2.4/5.8 GHz雙頻通信，能在飛行中智能識別通訊質量，并實時調整到穩(wěn)定信道，從而提高抗干擾能力。

圖2 飛控系統(tǒng)流程示意圖

1.2 機體結構系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)支持不同的多旋翼無人機。多旋翼無人機由3 個及以上螺旋槳組成，其中四旋翼最為典型和常見。顧名思義，四旋翼有4 個軸，安裝4 個螺旋槳，由螺旋槳的高速旋轉產生向上的拉力實現垂直起降[9]。其機動性通過改變旋翼的扭力和轉速實現，具有垂直升降、低空飛行、空中懸停、原地打轉等特點，所以符合消防救援的特定需求。

機體結構采用共軸雙旋翼無人機，即在一個軸上裝兩個轉動方向相反的螺旋槳，同軸上的兩個電機相反連接，且調整下方的升力略小于上方，實現了在不影響無人機靈活性的前提下，將升力提升一倍，實現了搭載更多救援設備的目標[10]。

采用碳纖維材料的ZD550 機架，該材料質地輕盈且強度高，同時具有可折疊、成本低等特點。搭配14 寸螺旋槳、40 A 電調及400 kV 無刷電機，最大可提供5 kg 載重，滿足了不同救援環(huán)境、救援需求下對救援設備的不同需求[11]。綜合考慮無人機對溫度及火場環(huán)境的特殊需求，相比于燃料驅動，采用3S-3300 mAh 航模電池作為無人機的動力來源，既可以為無人機提供更好的續(xù)航及載重能力，又凸顯了環(huán)保特性[12]。

1.3 信息采集傳輸系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)由控制模塊、檢測裝置、通信模塊以及供電單元組成，首先選定了基于ARM Cortex-M 內核的STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)為主控硬件電路，STM32 F103RCT6[9]的最小系統(tǒng)中由AMS1117-3.3 的穩(wěn)壓芯片提供3.3 V 電源，8 M 的無源晶振與電容構成外界晶振，為CPU 提供外接時鐘，由電阻和電容組成復位電路，由晶振、AMS1117-3.3 和復位電路即可構成ARM 芯片的最小系統(tǒng)。設計時，在電源部分串聯(lián)一個0.1 μF 瓷片電容作為濾波，使電壓更加穩(wěn)定。系統(tǒng)設計如圖3 所示。

圖3 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)設計

網絡接入芯片的選擇成為系統(tǒng)設計的關鍵和難點。經選型對比，最終采用價格低、功耗低、體積小且性能穩(wěn)定的ESP8266 無線通信模塊作為網絡接入芯片，實現了全雙工通信方式的組網。檢測裝置主要由氣體檢測模塊、溫壓傳感器、GPS 模塊等構成，其中氣體檢測模塊主要檢測一氧化碳、二氧化硫等火災中常見的有毒氣體，溫壓傳感器提供火場的溫度、壓強等實時數據，幫助消防人員制定相對應的計劃，提高滅火的精準性[13]。信息采集傳輸系統(tǒng)硬件電路如圖4 所示。

圖4 信息采集傳輸硬件電路圖

檢測裝置采集的現場環(huán)境參數，通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit,IIC）傳輸至主控制器，經過主控制器的算法進行數據處理后，借助無線通信網絡將處理后的數據實時發(fā)送至終端設備，終端設備可根據發(fā)送的數據制定救援方案，操控救援設備展開救援。信息采集傳輸系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 信息采集傳輸系統(tǒng)工作流程圖

該系統(tǒng)采用無線通信網絡作為載體實時傳輸采集的數據，可在最短的時間將現場情況呈現出來，輔助消防人員快速準確地做出反應。由于無線通信網絡受環(huán)境干擾較小，傳輸距離可高達5 km 以上，可在多種復雜情況下穩(wěn)定運行。采用12 V 鋰電池經過電機驅動模塊降壓后給系統(tǒng)供電[14]，由于主控模塊及檢測裝置都為低功耗產品，經測試，系統(tǒng)穩(wěn)定供電時間在7 小時以上，可長期監(jiān)測現場情況。此外，該系統(tǒng)設計精簡并可獨立運行，可直接移植搭載到多種無人機平臺使用。信息采集傳輸系統(tǒng)實物如圖6所示。

圖6 信息采集傳輸系統(tǒng)實物圖

1.4 救援系統(tǒng)模塊

新型無人機消防救援系統(tǒng)需要搭載不同的設備，以應對各種復雜的火災事故，所以救援系統(tǒng)模塊采用可拆卸、可替代的設計方式，以提高無人機的適用范圍及靈活性[15]。

無人機最大載重為5 kg，可針對不同的應用場景搭載相應的工具，通過控制系統(tǒng)實現對應的操作。如對于城市火災，無人機以3.8 m/s 的速度飛行，可以更快到達現場，在第一時間展開營救；對于森林發(fā)生火災，可以采用無人機直接投放大型的滅火彈進行滅火；對于其他類型的諸如化學、金屬、氣體等火災，可以搭載對應的滅火材料進行消防救援[16-17]。此外無人機可以搭載一些輔助救援裝置，例如呼吸面具、高分貝揚聲器等設備，為被困人員送去救援物資、安撫被困人員情緒等。

2 試用及結果分析

各模塊開發(fā)優(yōu)化完成后，首先在室內環(huán)境對各功能模塊進行了干擾測試，并對出現的問題進行了優(yōu)化分析，直至各功能模塊再未出現故障。在模擬環(huán)境的抗風等級測試中，表明無人機的抗風等級為6級；高溫環(huán)境測試結果表明，無人機在50 ℃左右時仍能正常運行。當前的試用數據表明，文中設計的無人機消防救援系統(tǒng)在火場復雜情況下，具備了數據實時、準確傳輸，能夠及時響應遙控器發(fā)送的控制指令，滿足多種消防救援需求下的應用。

在正常的環(huán)境參數下，無人機的功能表現如表1所示。

表1 測試數據

3 結束語

文中基于模塊化設計出一套新型無人機消防救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將無線通信技術和無人機技術結合起來，能夠快速到達火災現場，將火災現場采集到的數據實時傳輸至終端設備，消防人員可以根據現場狀況做出及時有效的方案，降低人員傷亡，減少財產損失。為提高消防救援滅火能力提供了新的手段和方法。

在結合現有設計的基礎上，可以進一步優(yōu)化信息采集傳輸系統(tǒng)，以在復雜的應用場景下提供更高的數據傳輸性能；另一方面，可對無人機的外部材料進行優(yōu)化，在不影響飛行控制、載重的前提下，提供更高的防火性能，以滿足消防應急的實際需要。