多旋翼無人機在災(zāi)害現(xiàn)場救援中的應(yīng)用

1、多旋翼無人機在災(zāi)害現(xiàn)場救援中的應(yīng)用摘要：隨著現(xiàn)代限制理論的開展,無人機的可控性越來越成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步得到擴 展.研究多旋翼無人機的技術(shù)性能,結(jié)合各種災(zāi)害場景特點,增強無人機對人的替代,不 僅能夠提升搶險救災(zāi)工作的時效性,而且能極大地減少人員傷害和災(zāi)害造成的人身財產(chǎn)損 失.因此,本文研究探討了多旋翼無人機在災(zāi)害現(xiàn)場救援中的具體應(yīng)用,僅供參考.多旋翼無人機的技術(shù)框架及技術(shù)特點多旋翼無人機主要由傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、限制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、決策及規(guī) 劃系統(tǒng)組成.1傳感器作為多旋翼無人機感知系統(tǒng)的重要組成局部,其作用不言而喻,良好的傳感器數(shù) 據(jù)為導(dǎo)航系統(tǒng)的解算提供了扎實的數(shù)據(jù)根底.2導(dǎo)航系

2、統(tǒng)那么結(jié)合不同的傳感器數(shù)據(jù),使用最優(yōu)估計算法進行多旋翼飛行器的狀態(tài)參量計 算,如飛行器的姿態(tài)角、速度、位置等,一個良好的最優(yōu)估計算法能夠為限制系統(tǒng)、故障 診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)提供準確的反應(yīng)數(shù)據(jù).3限制系統(tǒng)是保證多旋翼飛行器飛行穩(wěn)定的核心系統(tǒng),主要由基于反應(yīng)的限制算法組成.4動力系統(tǒng)那么主要由電池、電機、電調(diào)及槳葉組成,該系統(tǒng)為多旋翼無人機提供升力.事 實上,該系統(tǒng)也是一個完整的反應(yīng)限制系統(tǒng),其中,電調(diào)通過對電機的電流、電壓采樣形 成反應(yīng)限制律,限制電機到達預(yù)期轉(zhuǎn)速,為多旋翼飛行器提供適宜的升力5故障診斷系統(tǒng)那么根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)、限制系統(tǒng)的中間參量進行診斷,實時地給出子系統(tǒng)運行 健康狀況,如多旋

3、翼無人機的某一組槳葉出現(xiàn)破損,導(dǎo)致飛行器升力缺乏,此時,故障診 斷系統(tǒng)會迅速診斷出該故障,并提示限制系統(tǒng)切換對應(yīng)的故障預(yù)案,以保證飛行器的飛行 平安.6決策及規(guī)劃系統(tǒng)負責(zé)實現(xiàn)“業(yè)務(wù)級的決策,如無人機的避障與路徑規(guī)劃,電量缺乏與 傳感器異常時的緊急預(yù)案等.決策與規(guī)劃系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了該無人機系統(tǒng)的智能化程度以 及水平集的大小.傳感器與導(dǎo)航系統(tǒng)共同組成了 “感知與狀態(tài)估計子模塊,它是多旋翼 無人機的“眼睛.在該模塊中,首先需要對傳感器原始數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)其特性設(shè)計 對應(yīng)的濾波器.局部傳感器需要根據(jù)安裝位置及其偏置量進行校準,如加速度計、陀螺儀 以及磁力計等.在得到精度較高的傳感器數(shù)據(jù)后,需要設(shè)計對

4、應(yīng)的融合算法,構(gòu)成組合導(dǎo) 航系統(tǒng),用于解算飛行器的各狀態(tài)量,如姿態(tài)角、速度、位置等.所有狀態(tài)量如陀螺儀零 偏、加速度零偏等,這些狀態(tài)量與設(shè)計的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān).限制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)那么是多 旋翼無人機的“手足.災(zāi)害現(xiàn)場救援的應(yīng)用場景分析及多旋翼無人機救災(zāi)技術(shù)優(yōu)勢從災(zāi)害現(xiàn)場救援場景分析可知,災(zāi)害發(fā)生后,如何做到迅速響應(yīng),切斷危險源,保證人員 和財產(chǎn)平安,并且提升救災(zāi)人員對災(zāi)害現(xiàn)場的掌控已經(jīng)成為救災(zāi)的關(guān)鍵工作.多旋翼無人 機借助自身技術(shù)優(yōu)勢在很多場景下能夠充分發(fā)揮出良好的救災(zāi)效果.在無風(fēng)環(huán)境下,多旋 翼無人機的限制時速水平飛行可達60 km/h以上,充分彌補了救援人員自身行動速度問題.無人機的最大起

5、飛海拔高度可達 5 000m以上,可以讓人們不必搭建通道即可到達高空等 危險源,這無疑拓展了救災(zāi)人員的行動限制范圍.而且針對不同的應(yīng)用場景,可以定制開 發(fā)出不同種類的無人機救援裝備,例如,專門用于探測生命體征的探測無人機、專門用于 高溫場景下的耐高溫設(shè)備、專門用于執(zhí)行一定動作的無人機機器人等.在續(xù)航時間上,通 常消費級無人機最大飛行時間在無風(fēng)勻速飛行狀態(tài)下為0.5h左右.在一些復(fù)雜的災(zāi)害救援場景下,可以通過擴展無人機電池容量來提升其續(xù)航時間和最遠續(xù)航里程提升救災(zāi)多旋翼無人機的技術(shù)可靠性救災(zāi)無人機由于涉及更多惡劣工況,因此對無人機性能提出了更高的要求.無人機應(yīng)首先 具有可靠的穩(wěn)定性,從多旋翼無人

6、機技術(shù)架構(gòu)分析,由于多旋翼飛行器屬于靜不穩(wěn)定系統(tǒng), 脫離了限制系統(tǒng),其自身不具備穩(wěn)定飛行的水平,這點與固定翼飛行器有非常大的區(qū)別. 因此,需要先對災(zāi)害救援應(yīng)用的多旋翼飛行器進行數(shù)學(xué)建模,然后得到其限制分配關(guān)系. 用數(shù)學(xué)表達式描述多旋翼飛行器的橫滾、俯仰、航向以及油門通道之間的耦合關(guān)系,只有 準確解析出該表達式,才能夠在各種飛行狀態(tài)下,發(fā)揮每個電機的最大潛能對于無人機的故障診斷系統(tǒng).由于其綜合了傳感器數(shù)據(jù)、導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及限制系統(tǒng)數(shù)據(jù),對各子模塊進行實時運行狀態(tài)評估.它就如“醫(yī)生 一般,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至是故障的 前兆時,故障診斷系統(tǒng)能夠及時或提前告知各子模塊,以至于各子模塊能夠及時調(diào)整算法 策

7、略,以適應(yīng)不同的飛行狀況.因此,在災(zāi)害救援現(xiàn)場所用的無人機應(yīng)具備完善的故障診 斷水平,以此來應(yīng)對救災(zāi)作業(yè)過程中所發(fā)生的各種故障問題,保證不會造成次生災(zāi)害.另 外,要進一步增強無人機決策與規(guī)劃機制,無人機決策和規(guī)劃系統(tǒng)猶如多旋翼無人機的“大腦,有了它多旋翼飛行器才能夠稱之為“空中機器人.它掌握著多旋翼飛行器的 任務(wù)執(zhí)行策略以及飛行路徑,當(dāng)多旋翼飛行器同時執(zhí)行多種救援飛行任務(wù)時,也需要它根 據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級以及資源調(diào)度的情況進行實時地調(diào)整,以最高效的方式完成救援任務(wù)多旋翼無人機在災(zāi)害救援方面的開展方向 在災(zāi)害現(xiàn)場災(zāi)情探測方面,多旋翼無人機搭載的相機攝像水平更增強大、傳輸速度更快、 清楚度更高.隨著5

8、G通訊的推廣,最大分辨率可達 4 000*3 000的照片或視頻拍攝,將在極短的延時下傳輸?shù)骄葹?zāi)中控臺.不僅如此,無人機搭載的高性能航拍相機能以每秒30幀拍攝4K視頻或每秒120幀拍攝1 080P全高清慢動作視頻,全新設(shè)計的鏡頭成像清楚銳 利；先進的多軸云臺可以消除飛行中的抖動和顛簸,讓相機在惡劣工況下和劇烈運動中也 能夠?qū)崟r捕捉到穩(wěn)定流暢的災(zāi)害現(xiàn)場影像,并保證飛行限制距離在無障礙物遮擋的條件下 長距離高質(zhì)量傳輸圖像.未來無人機的全新視覺下,視覺定位系統(tǒng)有效距離更遠而且適用范圍更廣,可以使救援操 作者在遠離災(zāi)害現(xiàn)場或無 GPS信號的環(huán)境下也能實現(xiàn)對救災(zāi)無人機的精準懸停、穩(wěn)定飛行. 無人機的環(huán)境感知與避障水平也會得到極大提升,前視障礙物感知系統(tǒng)集成先進的傳感器 與計算機視覺技術(shù),可以讓多旋翼無人機具備更加智能的感知和主動避障水平,并且具備 更加靈活的飛行限制模式.如在指點飛行模式下,點擊移動設(shè)備屏幕,就能精確朝向選擇 的方向飛行,感知到障礙物時,會根據(jù)環(huán)境自動懸?；蚶@過障礙物,在鎖定救