高層火災救援無人機的設計與試驗

摘要：針對高層建筑物發生火災時，由于樓層高、救援空間小、交通堵塞、救援時間短、小區結構不合理等原因造成的人員救援困難這一難題，利用無人機救援平臺速度快、占用空間小、不受交通限制、救援效率高等優點，研發了與大疆MATRICE 600 PRO六旋翼無人機平臺配套的空中傳遞裝置和控制系統，該無人機在載重5 kg的情況下，可在空中靜態停留20 min。設計確定了拋投機構、外伸桿、攝像機構和喊話器等結構。實驗表明，救援無人機懸掛高層逃生救援包可快速穩定飛行，懸停在被困人員窗前，將高層逃生裝置在空中傳遞給被困人員；綜合運用喊話器和攝像系統，救援包被拋投和拉提過程時，不會對飛機的穩定飛行造成影響；被困人員將救援包拉至窗內后，地面人員通過攝像系統的觀察，借助喊話器對被困人員進行安撫和穿戴逃生設備操作指導，可以成功地幫助被困人員逃生。

關鍵詞：高層火災；無人機；救援包；空中傳遞；逃生；試驗

中圖分類號：X4；TP242""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.010

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0066-07

Design and Test of High-Rise Fire Rescue UAV

Abstract：In the case of fire in high-rise buildings， personnel rescue difficulties caused by high floors， small rescue space， traffic jams， short rescue time， unreasonable community structure， etc. the UAV rescue platform is fast， occupies small space， is not restricted by traffic， and has the advantages of high rescue efficiency. Developed the air transmission device and control system supporting the DJI MATRICE 600 PRO six-rotor UAV platform， which can stay static in the air for 20 min with a load of 5 kg.The structure of the throwing mechanism， the overhanging rod， the camera mechanism and the loudspeaker are determined. The experiment shows that the rescue UAV can fly quickly and stably， hover in the window of the trapped person， and deliver the high-rise escape device to the trapped person in the air; With the integrated use of the loudspeaker and camera system， the rescue bag will not affect the stable flight of the aircraft when it is thrown and lifted. After the trapped personnel pull the rescue bag to the window， the ground personnel through the observation of the camera system， with the aid of the loudspeaker to comfort the trapped personnel and wear escape equipment operation guidance， can successfully help the trapped personnel escape.

Key words：high-rise fire；drones；rescue kit；air transmission；escape；test

高層建筑物火災救援一直是城市管理的一個“痛點”，高層建筑越來越多、樓層越來越高，一旦發生火災等緊急事件，救援所面臨的挑戰越來越大[1-2]。通常采用的救援設備是消防云梯，該型設備在工作時要求路面寬度大于5 m，空中5 m以內沒有電線，四個支撐架展開需要占用100 m2以上的平面空地，對操作空間的要求非常高；私家車越來越多，道路擁堵情況越來越嚴重，很多小區內部結構布局不合理，消防云梯對交通的要求也很高；消防云梯重達幾十噸，一旦壓爆老舊小區的天然氣管道、排污管道，后果不堪設想[3-4]。無人機具有體積小、速度快、飛行高等優點。在交通擁堵、小區內道路和空間不滿足云梯車的使用條件時，可以迅速將無人機送至火災現場[5]，只需要很小一塊空地和極短的準備時間，無人機就可以以5 m/s的速度迅速升高，爬升至所需高度，對被困人員進行救援，很好的解決了上述痛點。

國內外對無人機在消防方面的應用已進行了大量的研究，主要是借助無人機小巧的機身，飛入建筑物內部，觀察被困人員所在位置、進行單方面喊話[6]，進行火情偵察、指揮調度和輔助救援；載重較大的無人機還可以輸送滅火器材至火災現場，掛載滅火彈或者滅火劑，對著火點進行精確滅火[7-12]，亦或搭載高壓噴射裝置，將水帶系留在機體上，完成高空滅火作業[13]。

綜合來看，無人機在消防救援中的作用主要是在偵察、調度和滅火上，但是針對高層建筑物而言還有一個十分嚴峻的問題有待解決，就是對被困人員的救援。由于樓層太高，消防云梯受交通和場地的限制，無法救援；無人機可以對高樓層進行滅火，但是由于載重原因，尚不能直接將被困人員救援出火場。本研究開發了與無人機平臺相配套的空中傳遞裝置，可以將高層逃生設備送至被困人員手中，地面人員通過攝像系統，實時觀察室內情況，通過喊話器對被困人員進行安撫，并指導其正確穿戴逃生設備和使用固定緩降器，進行逃生。

1 總體結構與工作原理

1.1 總機結構

為了能夠安全的將高層逃生救援包通過無人機在空中傳遞到被困人員手中，同時考慮無人機的載重對無人機飛行穩定性的影響，必須將救援包懸掛在無人機的正下方。協助逃生救援系統在無人機平臺上，安裝有拋投機構、空中傳遞機構、攝像機構和喊話機構，具體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

由于救援包必須懸掛在無人機的正下方才能保證救援無人機整體系統的重心穩定，設計時在救援包上外接一牽引繩，牽引繩由一次性膠帶順著外伸桿臨時粘連，牽引繩的拉環粘在外伸桿的另一端。為了安全，無人機本身不能距離建筑物太近，若想把救援包在空中傳遞給被困人員，有兩種方案可以選擇，一是利用彈力遠射機構，將救援包的拉環彈射至窗內，經過多次試驗驗證，彈射拉環的方式效果并不能穩定，并不是每次都能準確的彈射成功，一旦拉環彈射失敗，無人機就需要返回地面重新將拉環安放在彈射裝置內，而且彈射裝置本身體積較大，重量沉。故此種方案并不合適；二是采取外伸桿的結構，在無人機機體上安裝有鎖緊扣，需要的時候，將外伸桿鎖緊在機體上，不需要的時候將外伸桿拆下，方便運輸，外伸桿的長度為2.5 m，無人機在與墻體距離3 m之外，與被困人員等高懸停，由于無人機平臺本身的穩定性，拉環幾乎是固定在被困者面前，伸出手臂即可抓住拉環。被困人員所在樓層較高，站在地面上的救援人員看不清屋內情況，不能準確把握被困人員的狀態，故在無人機平臺上安裝有攝像系統，通過主控和副控所連接的平板或者手機屏幕可以清晰直觀的看到屋內情況和被困人員此刻的狀態，需要的時候可以清晰的講畫面投射在地面救援指揮中心的大屏幕上。

在此時，被困人員肯定處于慌亂甚至不知所措的精神狀態，需要救援人員的安撫，在看到無人機通過外伸桿傳遞過來的拉環，下意識的第一反應極可能是，在用手握住拉環后馬上就拉扯，這肯定會破壞無人機本身的飛行穩定性，為了避免這種情況的發生，同時采取了兩個措施：一是牽引繩有0.7 m長的余度，可以保證即便被困著拉扯環較早，作用力也不會作用在無人機本身上，保證其飛行的穩定性；二是在無人機平臺上安裝有喊話器，地面救援人員在攝像系統的輔助下，觀察著被困人員的動作，通過喊話器指導其抓緊拉環，保持身體的穩定，然后地面人員打開拋投器，救援包下落，被困人員手握繩端拉環，待救援包穩定后，被困人員再通過繩子將救援包拽入窗內，地面人員再指導其快速安全的固定安全掛鉤、安全的穿戴緩降器背包、從窗臺爬出，順著墻面緩降至地面。救援流程如圖2所示。

1.3 技術參數

高層火災逃生救援無人機主要技術參數如表1所示。

2 空中傳遞系統設計

空中傳遞系統是整個救援無人機的核心，其決定著是否能夠將高層逃生救援包在空中傳遞到被困者手中。由喊話器、拋投器、攝像頭、外伸桿以及連接有牽引繩救援包組成，牽引繩由一次性膠帶臨時粘連在外伸桿上。具體結構如圖3所示。

救援人員要根據實時畫面，判斷被困者已經穩定的握住了牽引繩的一端的拉環，然后遙控拋投器動作，使救援包與無人機脫離。粘連牽引繩和外伸桿采用的是棉布類一次性膠帶，在救援包下落過程中，膠帶被輕松扯開，對無人機的飛行穩定性不會造成干擾。救援包脫離無人機后，無人機要遠離建筑物一段距離，避免建筑物前方氣流紊引起無人機飛行不穩定。

拋投器固連在無人機的正下方，舵機的旋轉曲柄的旋轉，曲柄帶動連桿運動，連桿連接推桿，救援包的吊環穿吊在推桿上。當地面操作人員撥動主控上的開關，舵機運動，推桿收回，救援包從無人機上脫落。拋投器結構如圖4所示。

在救援實施過程中，高清攝像頭（如圖5所示）所拍攝被困者以及窗內情況顯示在地面救援者手持的平板電腦上，或者投射在地面救援中心大屏幕上。救援人員通過喊話器（如圖6所示），對被困者進行安撫和救援指導。

在高層建筑前方，空氣容易紊亂，無人機距離墻面越遠飛行越穩定，這樣就需要更長的外伸桿，但是過長的外伸桿會造成無人機整體系統重心的偏移，產生一額外旋轉力矩，無人機易失穩而炸機。外伸桿選取碳纖維材料，長度2.5 m，在這個長度下，其主要變形為彎曲變形，所以選擇同等質量更為抗彎的空心管結構。

3 無人機的動力學分析

無人機在飛行過程中，為了描述其受力情況和飛行狀態，需要建立兩個可以相互轉換的坐標系：一個是方便描述無人機空間位置和速度的地面坐標系，另一個是方便描述無人機飛行姿態和電機升力的機體坐標系，如圖7所示。

地面坐標系和機體坐標系分析重點不同，但分析對象都是無人機，二者所描述的坐標需要能夠相互轉化，以實現信息交流。機體坐標系為動態坐標系，坐標原點在無人機系統的質心處，分別以機體（攝像頭）正前方、正左方為Xb軸和Yb軸，由右手定則確定Zb軸；地面坐標系的原點與機體坐標系重合，分別有地理北方、西方和上方確定Xe軸、Ye軸和Ze軸。取圍繞機體坐標系Xb軸旋轉的為翻滾角φ，繞Yb軸旋轉的為俯仰角θ，繞Zb軸旋轉的為偏航角。

無人機的飛行姿態可以比較容易通過機體坐標系（ObXbYbZb）表示出來，再通過轉換矩陣Rbe，轉換到地面坐標系（OeXeYeZe）中，這樣通過地面坐標系就可以完整地表達出無人機的位置和姿態。

初始時，無人機靜止在起飛點，機體坐標系和地面坐標系重合。飛行過程中，機體坐標系隨著無人機的運動而運動，假設某一瞬間無人機的姿態角為[φ θ Ψ]，機體坐標通過繞機體坐標系三個坐標軸旋轉便可轉換為地面坐標。為了方便推導，首先求由地面坐標系到機體坐標系的轉換矩陣Reb。

第一次地面坐標系繞機體Zb軸旋轉量為偏航角Ψ，可以得到坐標系OeXeYeZb：

第二次地面坐標系繞機體Yb軸旋轉量為俯仰角θ，可以得到坐標系OeXeYbZe：

第三次地面坐標系繞機體Xb軸旋轉量為翻滾角φ，可以得到坐標系OeXbYeZe：

由式（1）～（3）可得從地面坐標系到機體坐標系的轉換矩陣如式（4）所示。

反向求解可得從地面坐標系到機體坐標系的轉換矩陣如式（5）所示。

4 試驗驗證

為了保證人員和設備的安全以及驗證設備的可靠性，高層火災救援無人機多次在安陽市消防救援大隊和鶴壁市消防救援大隊進行試驗。

實驗流程如圖8所示，無人機起飛后，飛至“被困人員”高度，慢慢貼近窗口，直至“被困人員”伸手后可以拉住外伸桿，之后懸停；“被困人員”握緊拉環，拋投器釋放，救援包下落一段距離，之后無人機稍微后撤，“被困人員”將救援包拉至窗內，穿戴好逃生設備后，順著墻面逃生至地面。

實驗時，救援包整體重量為5 kg，天氣良好，風速≤5 m/s。實驗人員一只手抓穩拉環，另外一只手扶穩墻面，拋投器打開，救援包下落。假設救援包下落這一過程為自由落體運動，下墜力計算公式為：

F下墜""""""""""""""""""""" （6）式中：F下墜為下墜力；m為質量；g為重力加速度，g＝9.8 m/s2；h為下落高度。

計算可得F下墜＝122.5 N。

現場男、女老師多次實驗，該下墜力并不大，沒有產生危險。

通過對所設計的高層樓房火災救援無人機進行試驗，驗證了無人機的飛行控制能力、載重能力、空中喊話能力、空中傳遞能力以及視頻傳輸能力，試驗結果表明，在無人機載重5 kg的情況下，無人機能在空中靜態停留20 min，飛行高度可達500 m、喊話器控制距離達5 km、視頻傳輸距離達5 km、控制器遙控距離達5 km。

5 結論

針對高層建筑火災設計了一款以六旋翼無人機為平臺的輔助逃生救援系統，以空中傳遞裝置為核心，將高層逃生救援包在空中傳遞給被困人員，指導其安全逃生。實驗表明，當外伸桿長度取2 m時，其重量所引起的傾覆力矩完全可以通過無人機飛控的調節進行抵消，被困人員握住牽引繩的拉環，地面救援人員遙控拋投器使救援包與無人機脫離，無人機負載的突然消失，對無人機飛行穩定性并沒有產生明顯的影響，輔助逃生救援無人機在整個救援過程中飛行穩定。地面救援人員通過攝像系統觀察被困者情況，通過喊話器與其溝通，指導其正確穿戴高層逃生設備，可以安全地從著火的高樓層緩降至地面。在高層建筑發生火災，無論消防人員是否夠能夠及時滅火，都能很大程度地降低群眾的傷亡，進而解決了城市管理與發展的“痛點”，對消防科學有一定的借鑒意義。

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