無人機技術在消防通信中的應用

趙 彥

（陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018）

1 無人機技術概述

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，是由自身程序控制裝置或無線電遙控設備控制的無人駕駛飛行器，通常由地面站設備（任務控制、發射回收、無線電控制）、有效負荷以及無人機載體3部分構成。最早作為訓練用的靶機出現于20世紀20年代。無人機按照用途、飛行半徑、總體結構及航程等特點可以分為不同種類：按總體結構，可分為固定翼、垂直旋翼、傾斜旋翼無人機；根據活動半徑及航程，無人機可分為近程、短程、中程及遠程4類；根據用途，無人機分為軍用和民用兩大類型。

我國無人機發展始于20世紀50年代末。20世紀60年代后期研制出長空-1靶機、無偵-5高空照相偵察機以及D4小型遙控機系列，并建立以高等學校為基礎的無人機研究機構。目前，我國民用無人機的種類較多，包括旋翼無人機、飛艇無人機以及固定翼無人機等各種機型。經過近幾年電子通信技術的迅速發展，無人機目前憑借其輕便的優勢已應用于環境監測、水情監測、救災等各個行業領域。

目前無人機已發展到能夠自行運作的程度，具有小巧、方便等特點，能夠穿越大山、河流，通過巡線系統對通信線路進行高效、迅速的偵察，且成本低廉，在通信救災、高速公路管理、應急救援、森林防火以及地質測量等領域的應用成果顯著。

2 無人機功能架構

無人機系統由飛行器、控制站以及通信鏈路組成。飛行器由飛行平臺、動力裝置、導航飛控、電器系統及任務系統構成；控制站由顯示系統和操縱系統組成；而通信鏈路由機載和地面構成。

2.1 飛行器

飛行器分為火箭、導彈、航空器、航天器以及制導武器5大類。常見的有飛機、氣球、滑翔機等，這些飛行器在大氣層內飛行，因此稱為航空器，其依靠空氣相對運動產生的空氣動力從而升空飛行。載人飛船、航天飛機及人造地球衛星等在空間飛行的飛行器稱為航天器，其在運載火箭的推動下獲得動力進入太空，然后在引力作用下完成軌道運動從而達到飛行目的。

2.2 控制站系統組成

無人機控制系統有載荷控制、數據鏈路控制、飛行控制及載荷數據處理4類硬件，還有無人機控制站、指揮處理中心以及載荷控制站3類不同的功能控制模塊。

2.3 通信鏈路

無人機與地面進行通信，主要由飛行器與地面系統聯系的紐帶即數據鏈部分完成。隨著無線網通信技術以及衛星通信技術的發展，無人機數據鏈的性能大幅度增強。當前無人機數據鏈系統采用的調制模式相對簡單，抗干擾能力較弱。因此，加強對無人機數據鏈路系統的探索，對我國低空領域無人機的發展非常重要。

3 無人機關鍵技術

無人機系統主要包括飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、發射回收系統以及電源系統等。飛行控制系統是無人機的大腦，主要由陀螺儀、加速計、地磁感應、氣壓傳感器、超聲波傳感器、光流傳感器、GPS模塊以及控制電路等組成，對無人機飛行的穩定性、與地面進行數據傳輸的可靠性以及精確度、實時性等都有重要影響。數據鏈系統完成對遙控指令的準確傳輸，其性能優劣直接影響到接收、發送信息的實時性和可靠性。發射回收系統能夠確保無人機順利升空并達到安全飛行高度和速度，在執行完任務后重新安全回落到地面[1]。

3.1 飛 控

無人機飛行控制系統（Flight control system）簡稱飛控，是無人機的大腦，能夠穩定無人機飛行姿態，也是無人機區別于航模的最主要標志。按照功能劃分，飛控系統的硬件通常由主控制、接口、信號處理、數據采集以及舵機驅動等模塊組成，通過飛控板上的陀螺儀對無人機進行控制。

飛控系統實時采集各傳感器測量的飛行狀態數據，接收無線電測控終端傳輸的由地面測控站上行信道發送的控制命令及數據，經系統模塊處理，輸出控制指令給執行模塊，實現對無人機各種飛行模態的控制和對任務設備的管理與控制。與此同時，將無人機的狀態數據，發動機、機載電源系統、任務設備等工作狀態參數實時傳送給機載無線電數據終端，通過下行信道發送回地面測控站，實現無人機在低空快速監測并回傳信息。

3.2 無線通信技術

無人機實現無線通信的主要結構為：無人機載體安裝電池、視頻采集器及無線圖像發射機，電池與無線圖像發射機均固定在無人機底部位置，將視頻源與發射機相連接，構成完整的無線視頻發射 系統。

無人機在民用和軍事領域均可用于探測、偵察、監測、應急及遙感等，可利用獲得的高分辨率圖像進行高空作業。無人機無線通信系統具有傳輸距離遠、傳輸圖像清晰、體積小、可靠性高等特點。實地勘測需要具體的圖像數據，隨著數據量的增加，無人機系統的傳送速度和載荷量需要不斷提高[2]。

3.3 監測技術

環境監測無人機是一種以自身程序控制為主或無線電遙控的無人飛行器，按照系統組成和飛行特點可分為固定翼型無人機、無人駕駛直升機兩大類。作為現代化的新型監測工具，環境監測無人機可實現的應用主要有以下方面。

（1）實現無人機巡航監測性能業務化，推進無人機定期巡航監測，獲取空氣污染的高分辨率分 布圖。

（2）用無人機對移動污染源進行監控與分析，評估污染源的真實排放情況，為準確治理大氣污染提供強有力的信息源。

（3）在環保監測中擴大監控范圍。

（4）在應對輻射等高危事件中，迅速利用無人機監測技術及時獲取污染數據和信息，進行決策和處理。

4 無人機在消防通信中的應用

根據不同的危害類型及特點，自然災害可分為地震災害、生物災害、海洋災害、森林災害、氣象災害、農作物災害、地質災害以及洪水災害等[3]。重大自然災害常常會造成受災區信息通信中斷、道路交通破壞以及人員傷亡，傳統的現場人力偵查手段的局限性已日益凸顯，無人機在救災通信中的積極作用得到不斷體現，出色地完成了各類滅火救援和搶險救災任務。消防部門已經充分認識到無人機在滅火救援中的重要作用[4]。

4.1 M600系列無人機搶險救災

M600系列無人機具備5 km遠距離高清實時影像傳輸能力、提供38～40 min的超長續航，采用模塊化設計，安裝方便快捷，可很好地勝任遠距離林地火情偵查需求。與普通無人機相比，M600系列的輕量化機身、強大動力系統及最新A3飛控等配置，使其具有更高的可靠性、負載能力及更優秀的飛行性能。M600系列可搭載禪思Z30相機，這款云臺相機擁有30倍光學變焦功能。在森林火情偵查中，消防員可將飛機穩定懸停，利用變焦功能，可隨時移動設備放大查看觀察點情況，避免人員傷害及設備損失。M600系列無人機偵查火情現場如圖1所示。

圖1 M600系列無人機偵查火情

4.2 消防無人機的技術優勢

消防無人機采用技術先進的飛行控制系統，可對地面進行完備的長時間空中立體監控，如圖2所示。消防無人機機身安裝了滅火裝置和視頻監控傳輸系統，可對火災進行有效控制。

圖2 消防無人機

消防無人機的應用如有如下突出的技術 優勢。

（1）快速響應。消防無人機分類較多，其中多旋翼無人機以其體積小、便于運輸、不受場地限制等優點，能夠在災害發生后第一時間快速啟動作業，為消防救援工作贏得寶貴的時間。

（2）高空偵察。無人機能夠在空中長時間穩定懸停，準確偵查火勢發展和受困人員處境。例如，華科爾FE15滅火無人機能接入4G網絡，采集并傳輸實時的高清直播畫面，實現精準救援；同時搭載雙鏡頭，可以出色地完成圖像傳輸，能夠隨時切換滅火器，精準把控火災現場的每處細節。

（3）安全滅火效果好。滅火器進入房間后不爆炸，僅噴出干粉。因此，不會對建筑物、內部圍困人員或戶內物品造成次生傷害。

（4）可適用有玻璃的滅火場景。當今，很多高層建筑出于美觀的考慮，外立面多采用玻璃幕墻。如遇到火災，可以采用FE15滅火無人機，首先發射機載式破玻器，可在20 m距離內穿透10 mm厚鋼化玻璃；其次，待窗戶破碎后再發射滅火器進入房間實施滅火。消防滅火無人機能有效地針對高層建筑作業，是消防救援手段的重要補充，預計未來將成為城市消防部隊的標配。FE15無人機滅火現場如圖3所示。

圖3 FE15無人機

無人機以高空優勢通過攝影技術或其他遙感手段來獲取災情，能防止災害信息傳遞受阻而導致搶險救災行動的盲目部署，進而避免造成更大的次生災害和財產損失，為指揮救援提供強有力的保障和支撐。

5 結 語

目前無人機行業蓬勃發展，在應急測繪、救災物資投送以及被困人員搜尋等方面也屢建奇功，深受贊賞[5]。隨著無人機技術的成熟，人們發現無人機在越來越多的民用領域擁有可觀的市場價值。預計2025年，國內無人機市場總規模將將達到750億元人民幣。可見，無人機經過步步深入、層層配套的發展，將形成工業化的全產業鏈、價值鏈，更高效地推動民用無人機技術的發展與進步。當然，無人機技術也面臨著一些現實問題，如禁飛區、飛行安全以及運輸精準度等，這也將是未來無人機技術研究需要突破和發力的關鍵點。