多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援中的應(yīng)用

1、多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援中的應(yīng)用摘要：隨著現(xiàn)代限制理論的開展,無人機(jī)的可控性越來越成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步得到擴(kuò) 展.研究多旋翼無人機(jī)的技術(shù)性能,結(jié)合各種災(zāi)害場(chǎng)景特點(diǎn),增強(qiáng)無人機(jī)對(duì)人的替代,不 僅能夠提升搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的時(shí)效性,而且能極大地減少人員傷害和災(zāi)害造成的人身財(cái)產(chǎn)損 失.因此,本文研究探討了多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援中的具體應(yīng)用,僅供參考.多旋翼無人機(jī)的技術(shù)框架及技術(shù)特點(diǎn)多旋翼無人機(jī)主要由傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、限制系統(tǒng)、動(dòng)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(jī)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(shí)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(jì)算法進(jìn)行多旋翼飛行器的狀態(tài)參量計(jì) 算,如飛行器的姿態(tài)角、速度、位置等,一個(gè)良好的最優(yōu)估計(jì)算法能夠?yàn)橄拗葡到y(tǒng)、故障 診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)提供準(zhǔn)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(dòng)力系統(tǒng)那么主要由電池、電機(jī)、電調(diào)及槳葉組成,該系統(tǒng)為多旋翼無人機(jī)提供升力.事 實(shí)上,該系統(tǒng)也是一個(gè)完整的反應(yīng)限制系統(tǒng),其中,電調(diào)通過對(duì)電機(jī)的電流、電壓采樣形 成反應(yīng)限制律,限制電機(jī)到達(dá)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(jìn)行診斷,實(shí)時(shí)地給出子系統(tǒng)運(yùn)行 健康狀況,如多旋

3、翼無人機(jī)的某一組槳葉出現(xiàn)破損,導(dǎo)致飛行器升力缺乏,此時(shí),故障診 斷系統(tǒng)會(huì)迅速診斷出該故障,并提示限制系統(tǒng)切換對(duì)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)級(jí)的決策,如無人機(jī)的避障與路徑規(guī)劃,電量缺乏與 傳感器異常時(shí)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(jī)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(jì)子模塊,它是多旋翼 無人機(jī)的“眼睛.在該模塊中,首先需要對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)其特性設(shè)計(jì) 對(duì)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(jìn)行校準(zhǔn),如加速度計(jì)、陀螺儀 以及磁力計(jì)等.在得到精度較高的傳感器數(shù)據(jù)后,需要設(shè)計(jì)對(duì)

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(jì)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)有關(guān).限制系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)那么是多 旋翼無人機(jī)的“手足.災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援的應(yīng)用場(chǎng)景分析及多旋翼無人機(jī)救災(zāi)技術(shù)優(yōu)勢(shì)從災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援場(chǎng)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(xiǎn)源,保證人員 和財(cái)產(chǎn)平安,并且提升救災(zāi)人員對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的掌控已經(jīng)成為救災(zāi)的關(guān)鍵工作.多旋翼無人 機(jī)借助自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)在很多場(chǎng)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(jī)的限制時(shí)速水平飛行可達(dá)60 km/h以上,充分彌補(bǔ)了救援人員自身行動(dòng)速度問題.無人機(jī)的最大起

5、飛海拔高度可達(dá) 5 000m以上,可以讓人們不必搭建通道即可到達(dá)高空等 危險(xiǎn)源,這無疑拓展了救災(zāi)人員的行動(dòng)限制范圍.而且針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,可以定制開 發(fā)出不同種類的無人機(jī)救援裝備,例如,專門用于探測(cè)生命體征的探測(cè)無人機(jī)、專門用于 高溫場(chǎng)景下的耐高溫設(shè)備、專門用于執(zhí)行一定動(dòng)作的無人機(jī)機(jī)器人等.在續(xù)航時(shí)間上,通 常消費(fèi)級(jí)無人機(jī)最大飛行時(shí)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(chǎng)景下,可以通過擴(kuò)展無人機(jī)電池容量來提升其續(xù)航時(shí)間和最遠(yuǎn)續(xù)航里程提升救災(zāi)多旋翼無人機(jī)的技術(shù)可靠性救災(zāi)無人機(jī)由于涉及更多惡劣工況,因此對(duì)無人機(jī)性能提出了更高的要求.無人機(jī)應(yīng)首先 具有可靠的穩(wěn)定性,從多旋翼無人

6、機(jī)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(diǎn)與固定翼飛行器有非常大的區(qū)別. 因此,需要先對(duì)災(zāi)害救援應(yīng)用的多旋翼飛行器進(jìn)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(dá)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(zhǔn)確解析出該表達(dá)式,才能夠在各種飛行狀態(tài)下,發(fā)揮每個(gè)電機(jī)的最大潛能對(duì)于無人機(jī)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(duì)各子模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)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(shí),故障診斷系統(tǒng)能夠及時(shí)或提前告知各子模塊,以至于各子模塊能夠及時(shí)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(chǎng)所用的無人機(jī)應(yīng)具備完善的故障診 斷水平,以此來應(yīng)對(duì)救災(zāi)作業(yè)過程中所發(fā)生的各種故障問題,保證不會(huì)造成次生災(zāi)害.另 外,要進(jìn)一步增強(qiáng)無人機(jī)決策與規(guī)劃?rùn)C(jī)制,無人機(jī)決策和規(guī)劃系統(tǒng)猶如多旋翼無人機(jī)的“大腦,有了它多旋翼飛行器才能夠稱之為“空中機(jī)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(shí)執(zhí)行多種救援飛行任務(wù)時(shí),也需要它根 據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)以及資源調(diào)度的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)整,以最高效的方式完成救援任務(wù)多旋翼無人機(jī)在災(zāi)害救援方面的開展方向 在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情探測(cè)方面,多旋翼無人機(jī)搭載的相機(jī)攝像水平更增強(qiáng)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(dá) 4 000*3 000的照片或視頻拍攝,將在極短的延時(shí)下傳輸?shù)骄葹?zāi)中控臺(tái).不僅如此,無人機(jī)搭載的高性能航拍相機(jī)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(dòng)作視頻,全新設(shè)計(jì)的鏡頭成像清楚銳 利；先進(jìn)的多軸云臺(tái)可以消除飛行中的抖動(dòng)和顛簸,讓相機(jī)在惡劣工況下和劇烈運(yùn)動(dòng)中也 能夠?qū)崟r(shí)捕捉到穩(wěn)定流暢的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影像,并保證飛行限制距離在無障礙物遮擋的條件下 長(zhǎng)距離高質(zhì)量傳輸圖像.未來無人機(jī)的全新視覺下,視覺定位系統(tǒng)有效距離更遠(yuǎn)而且適用范圍更廣,可以使救援操 作者在遠(yuǎn)離災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)或無 GPS信號(hào)的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)對(duì)救災(zāi)無人機(jī)的精準(zhǔn)懸停、穩(wěn)定飛行. 無人機(jī)的環(huán)境感知與避障水平也會(huì)得到極大提升,前視障礙物感知系統(tǒng)集成先進(jìn)的傳感器 與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù),可以讓多旋翼無人機(jī)具備更加智能的感知和主動(dòng)避障水平,并且具備 更加靈活的飛行限制模式.如在指點(diǎn)飛行模式下,點(diǎn)擊移動(dòng)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(shí),會(huì)根據(jù)環(huán)境自動(dòng)懸停或繞過障礙物,在鎖定救