多旋翼无人机设计及灭火救援行动中的应用

王文山

（济南市天桥区济泺路消防救援站，山东 济南 250031）

0 引言

无人机（unmanned aerial vehicle）是利用无线电遥控设备和自动控制技术操纵的无人驾驶飞机，根据飞行方式的不同可以分为旋翼无人机、多旋翼无人机、固定翼无人机等，凭借其操作简单、可靠性高等优势，广泛用于空中侦察、监视、通信等高空作业中。我国在多旋翼无人机的研究方面起步较晚，早期无人机的研发和应用集中在军工领域。随着我国微电子系统和飞行控制系统的不断发展，让无人机控制技术更加成熟，扩大了无人机的应用范围。现如今，民用领域的无人机应用日益广泛，涉及航拍、侦察、勘测、救援、消防等多个领域。由于无人机可以利用高空视角，快速准确地定位目标，并且可以与地面控制中心保持有效的数据传输，使得无人机在灭火救援和应急抢险方面相比于传统人工操作有着无法比拟的优势。伴随着我国城市化进程的不断发展，密集的人口、超高层建筑、结构复杂的购物中心，加剧了火灾救援的难度，而无人机技术在消防领域的应用有效地改善了传统人工救援的局限性。在灭火救援行动中常用多旋翼无人机，降低设计研发的难度，提升操控的安全性，通过与地面控制中心保持数据传输，帮助制定灭火救援行动计划，最大限度地降低火灾造成的人员伤亡和经济损失。

1 多旋翼无人机特性评价

多旋翼无人机主要是指有三个或者三个以上的旋翼驱动飞行的无人驾驶飞行器，由机械系统、动力系统、控制系统组成[1]。其中机械系统是无人机的基础部件，主要指支撑无人机整体结构的骨架，起到承载动力部件和负载等功能，包括起落架、机身等。机械系统的设计需要使用轻量化的材料，降低自身重量、确保强度的同时，提升负载能力，常用碳纤维和铝合金材料制作。动力系统由螺旋桨、无刷直流电机、电子调制器和电池组成。螺旋桨是无人机飞行的主要动力来源，依靠电机和电池进行驱动，每一个旋翼轴都有独立的电机驱动，产生推力，因此多旋翼无人机相较于传统无人机拥有更加灵活机动的特点。多旋翼无人机的螺旋桨通常是由塑料或者碳纤维制作，螺旋桨的翼尖进行缩小平滑处理，减少阻力，多旋翼无人机控制子系统主要包括：飞控系统、内置传感器、遥控器。飞控系统是无人机的核心部件，用以生产信号控制多旋翼飞机的飞行。飞控板上集成了气压计、罗盘传感器、GPS等，飞控板接收遥控信号和传感器信号，通过数据分析生成信号波输出到电台控制中心驱动螺旋桨旋转。

多旋翼无人机具有以下特点。

1.1 垂直升降

多旋翼无人机可以实现垂直升降，当无人机需要升高飞行高度时，多个螺旋桨同时加速旋转，增加上升推力，帮助无人机快速上升。当无人机需要降低飞行高度时，只需要控制在螺旋桨的旋转速度，降低上升推力，实现无人机的下降。在控制多旋翼无人机的过程中，需要多个旋翼保持相对稳定的转速，从而确保无人机拥有稳定的飞行姿态[2-3]。

1.2 原地旋转

多旋翼无人机拥有原地旋转的功能，由于旋翼无人机主要依靠旋翼提供上升推力。因此，无人机旋翼的布局对其运动轨迹有直接的影响。以四旋翼无人机为例，在无人机水平方向均匀地分布四个旋翼，需要进行原地旋转时，保持两个顺时针旋转的电机转速增加，另外两个逆时针旋转的电机转速降低，由于反扭矩影响，无人机就会产生逆时针方向的旋转。

1.3 水平移动

由于多旋翼无人机的螺旋桨平行于地面，无法直接产生水平方向上的力来进行水平方向上移动。多旋翼无人机是靠螺旋桨转速的变化，来控制自身的飞行姿态，旋翼数量对于飞行效果有着直接影响。以四旋翼无人机为例，两个电机螺旋桨会提高转速，同时另外两个电机螺旋桨降低转速，两边的上升推力出现偏差，无人机就会以前倾的方式飞行。

民用领域无人机的设计要求简单实用，多旋翼无人机结构设计简单、体积小，不用专用的起飞和停放场地，同时便于维修保养，并且对于培训操作员的训练周期较短。可以适用于各种气候环境，有效地降低了人为操作带来的风险。多旋翼无人机可以实现远程遥控操作，半自主飞行和按照预编航线全自动飞行等功能。多旋翼无人机可以实现空中悬停，并且对起飞场地没有特殊要求，具有机动灵活的特点，搭载无线通信系统还可以与地面控制中心进行数据传输，配置高清晰度的数码摄像机，还能实时采集现场视频画面，地面控制中心也可以根据视频影像制定行动计划[4-7]。

2 多旋翼无人机设计与实现

目前，无人机结构采用模块化设计，主要包括飞行控制模块、传感器模块、电源模块、执行机构驱动模块、遥控模块等。其中飞行控制模块负责无人机的飞行控制功能，是无人机结构设计的核心环节。多旋翼无人机飞行控制模块包括测量模块、传感器模块、执行机构、无线通信模块、电源等。其中测量部件主要用来测量无人机飞行的运动参数，包括垂直陀螺仪、航向陀螺仪、速率陀螺仪以及加速器、GPS接收机等，通过测量部件确定无人机飞行的各项状态参数。信号处理部件主要负责测量无人机飞行的各项数据信息，形成符合控制要求的飞行指令，可以根据飞行指令和任务要求，配合地面控制改变无人机的飞行姿态和位置。执行机构主要是利用接收到的信号驱动旋翼进行转动。电源负责给飞行控制器供电。多旋翼无人机在设计中，需要满足拥有加大的升力，确保无人机能够搭载多种救援设备和物资，丰富灭火救援的功能。目前，除了无人机自身重量以外，提升上升力是增加无人机负载能力的有效方式，例如增加旋翼数量，给无人机提供上升推力。在民用领域最常见的是四旋翼无人机结构，通过对称的布局，四旋翼可以提供稳定的上升力，并且具有结构简单、操控灵活、故障率较低、稳定性强等优势，能够执行各种复杂的任务[8]。下面就对多旋翼无人机的结构设计进行深入分析。

2.1 测量模块设计

多旋翼无人机测量模块由微控制计算机组成，通过测量仪获取无人机的飞行参数，然后根据相应算法计算出无人机的飞行姿态、高度以及空间信息。测量模块可以接收地面控制指令，完成对无人机飞行状态的调整，并且可以向地面控制发送相应的飞行状态信息。

2.2 传感器模块设计

多旋翼无人机传感器主要负责收集无人机俯仰角和滚转角的反馈信号，用来判断无人机飞行的稳定性和可靠性。多旋翼无人机的飞行姿态是通过测量模块获取的。

2.3 执行机构模块设计

多旋翼无人机可以实现空中悬停和横向飞行等功能，这些都依赖于执行机构模块的快速响应。在执行机构中，电机为调整无人机飞行姿态提供主要动力，在设计过程中需要满足占用体积小、重量轻、效率高等特点。

2.4 无线通讯模块设计

无人机在飞行过程中需要接收各种遥控信号完成飞行姿态的调整，为了确保遥控信号的抗干扰性能，采用无线数据传输器，同时无线数据传输具有一定的抗干扰能力，能够实现无人机和地面控制中心之间高效的数据传输。

2.5 电源模块设计

电源是多旋翼无人机的主要动力来源，为了提供充足电力供应，需要根据无人机最大输入电流参数选择合适的电源稳压器进行电路设计。多旋翼无人机在消防领域中的应用需要进行针对性设计，其自身的体积、重量将对灭火救援行动有着直接影响。

3 多旋翼无人机在灭火救援行动中的应用

在灭火救援过程中，无人机需要携带灭火救援设备，这就要求无人机在确保正常飞行的情况下拥有足够的载重量。因此，在确保正常飞行的情况下，降低自身重量、提高载重是无人机设计所要考虑的首要问题。近年来，随着我国科学技术的不断进步，加速了无人机的应用空间，在民用领域的应用日趋广泛，尤其是在灭火救援行动中的应用最为广泛[9]。下面就对多旋翼无人机在灭火救援行动中的应用进行详细分析。

3.1 易燃易爆、化学灾害事故侦察

多旋翼无人机在处理易燃易爆、化学灾害事故的过程中，通过探测器可以检测事故现场的气体浓度和有毒物质的扩散范围，确定灭火救援的线路和计划，避免消防人员盲目进入造成不必要的损伤。无人机可以适用于各种复杂环境，而且易燃易爆等有毒物质不会对无人机造成伤害，相比传统人工侦察活动有着非常明显的优势，可以更加细致、全面地展开现场侦察活动，便于现场指挥人员制定救援计划，有效提升侦察效率和救援的成功率。

3.2 灭火救援现场实时监控

多旋翼无人机配备有高清摄像头，可以对灭火救援现场进行实时监测，尤其适用于地形和环境复杂的场景。当灾害发生时，多旋翼无人机凭借其灵活机动的特点可以快速进行现场侦察，通过高空视角快速查找灾害现场，做到机动灵活开展侦查，特别是一些急难险重的灾害现场，侦查小组无法开展侦查的情况下，无人机能够迅速展开侦查。借助现代化的技术让灭火救援行动更加立体和高效，在地面救援应急车、空中无人机、地面指挥中心三位一体的灭火救援模式下，无人机可以将现场图像传输至地面控制中心，消防人员可以掌握更加细致的火灾现场情况，精准排查起火点，分析火灾发展形势，制定应急预案，建立快速响应机制，提升灭火救援行动效率。多旋翼无人机配合地面指挥中心在灭火救援行动中的应用如图1所示。

图1 多旋翼无人机救援监控架构图

3.3 运送救援装备

多旋翼无人机具备一定的装载能力，其载重量也将直接决定搭载救援设备的数量，可以携带救援绳、救生衣、防毒面具等救援装备，借助现场监控功能直接送到火灾现场被救人员手中，减少救援时间。利用无人机集成或者灵活携带关键器材装备，能够为多种情况下的救援提供帮助，例如为救援开辟救援途径，传统人工灭火救援行动中，往往会被特殊的地理环境所影响，尤其是一些地势险峻，不利于物资运输的情况下，极大地影响了救援行动的效率。多旋翼无人机集成了拥有机动灵活的特点，而且不受起飞场地的限制，对于特殊环境下的救援物资的投递有着非常明显的技术优势。通过无人机的视频传输，让地面控制中心准确定位救援范围，并且使用自身携带的灭火救援设备进行辅助救援，为灭火救援行动的开展提供有力支撑。

3.4 空中无线中继

多旋翼无人机可以充当空中转信台，实现通讯信号的中继和放大、有效地延伸无线通信网络的覆盖范围，尤其是在极端情况下，可以确保信息传输的有效性，提升灭火救援的成功率[10]。无人机在对灾害现场拍摄的同时，利用无线图传技术，实时传输高清图像至地面接收终端，传输高清影像。利用高清摄像头对高层及超高层建筑内部进行现场监测，实时传输内部画面，及时发现火情隐患、被困人员分布，帮助消防人员掌握现场火情实时情况，制定灭火救援行动计划。此外，无人机还可以将空中监控视频实时接入其他安防或消防监控系统等。由于无线传输技术具备广播式传输的特点，无人机传输的数据信息可以同时被地面控制中心、应急车接收，有效实现资源共享。

3.5 适用于各种救援场景

多旋翼无人机小巧灵活、控制简单，适用于各种救援场景。通过远程遥控的方式不仅可以代替传统人工提升救援效率，而且在复杂、危险的场景中能够发挥更多优势。多旋翼无人机可以搭载高清摄像机、救援设备、无线通讯系统，在火灾现场完成救援任务，最大限度地确保消防人员的生命安全，并能通过对现场情况的跟拍、追踪，为事故处置的指挥决策提供安全和可靠的依据，能够有效控制灾情发展，提升灭火救援效率。

4 结语

综上所述，随着微电子技术和飞行控制技术的成熟，智能化和模块化技术降低了无人机的研发设计成本，提升了多旋翼无人机的发展空间，广泛用于快递运输、环境监测、灭火救援、航拍等领域。现阶段，无人机技术在我国消防部队中的应用日趋广泛，面对一些复杂的灭火救援行动以及各类地震救援、抗洪抢险、救灾任务时，无人机有着传统人力救援无法取代的优势。借助无人机技术可以有效实施消防预警和现场侦测等高危环境作业，借助其机动灵活的优势可以准确快速地定位受灾区域，提高救援效率。随着我国无人机应用技术及飞行控制方案的不断成熟，多旋翼无人机的功能更加全面和多样，可以有效地实现地面联动，高效地执行灭火救援任务，使其成为未来消防部队灭火救援行动中不可或缺的重要环节。