新型无人机消防救援系统的设计研究

摘要：在消防领域使用无人机，可以准确定位事故位置、快速获取现场的相关数据，能够极大的提升消防工作的效率。本文提出一种新型的新型无人机消防救援系统的设计方案，通过模块化的设计，使其能够迅速定位火点、快速采集火场信息、缩短救援时间、提升救援效率。

关键词：新型无人机;消防救援系统

一、无人机消防救援系统的意义

当前，火灾的发生率越来越高，而火灾的扑救难度也逐渐上升，当前虽然具有一些能够投入使用的消防系统，如防火分区系统、防火栓灭火系统、火灾自动报警系统等，但这些系统就有较强的滞后性与局限性，不足之处较为明显。当前火灾救援的难点就在于怎样能够及时、准确的掌握火场单位相关情况，从而能够快速的做出消防部署。

近年来无人机的发展迅速，被应用到多个领域，其灵活性与机动性能够打破地形的限制，快速到达各个位置。因此，在消防工作中引入无人机，能够充分利用无人机的特点，快速抵达火灾现场，准确监测现场情况，能够支持消防人员第一时间了解火情，快速做出最正确的决策，提高消防效率。

二、无人机消防救援系统设计总体方案

新型无人机消防救援系统包含四个模块，分别是无人机飞控系统、机体结构系统、信息采集传输系统以及救援系统。其中无人机飞控系统、机体结构系统以及救援系统是结合消防特殊的使用场景，对现有产品进行筛选与灵活组合最终得到最适合本方案的产品[1]。该系统方案最重要的环节就是信息采集传输系统，系统实现应用联调设计。

1.无人机飞控系统

无人机飞控系统可以理解为是无人机的大脑，通过无人机飞控系统来指挥无人机进行起飞、转向、飞行、着落等一系列的动作，因此无人机飞控系统的稳定性至关重要。通过筛选对比多种方案，在飞控系统设计中采用大疆多旋翼飞行控制器搭载NEO-M8N GPS模块相对较好。这种设计对大疆飞行控制系统的ALL-in-One理念进行了集成，既在一个模块中集成了控制器、减震设计、加速度计、陀螺仪以及气压计从而实现飞行控制功能，如姿态锁定、高度锁定等。此外，由于NEO-M8N GPS模块中采用的UBX协议，可以加强无人机定点悬停功能，这也使无人机的操控难度大大降低，也能及时的发送定位信息辅助救援任务的开展。经过对无人机飞控系统的调整测试优化后，能够在姿态、手动、GPS模式之间自动切换，让无人机的飞行更加稳定，也更好的为救援系统做好了前期铺垫工作。

通过飞控系统能够让无人机对信道进行实时调整，使其保持在稳定信道，进而增强的无人机抗干扰能力。大疆Naza-M Lite系统采用PID算法对无刷电机进行控制，再利用NEO-M8N GPS模块生成的定位信息对无人机当时的飞行姿态进行计算与分析，姿态解算单元采用PID算法生成控制量，再由飞控系统将其发送到遥控器上。无人机的操作人员就可以利用接收到的飞行状态信息利用遥控机对无人机发送遥控指令，以此来控制无人机的角度。飞控系统和遥控器能够支持2.4赫兹与5.8赫兹的双频通信，能够智能识别飞行过程中的通讯质量，当通讯质量差时，能够及时调整到稳定信道，通过这种方式来对抗外界干扰。

2.机体结构系统模块

由三个及以上的螺旋桨组成的无人机叫做多旋翼无人机，最常见的是四旋翼无人机，由四个螺旋桨高速旋转产生的拉力能够实现无人机的垂直起降。改变旋翼的转速和扭力能够实现低空飞行、垂直升降、原地打转、空中悬停等动作，这也符合了消防救援对无人机的特定需求。

共轴双旋翼無人机，就是通过在一个轴上安装两个反方向转动的螺旋桨，同轴上对两个电机的连接采用相反的方式，且将上方的升力调整略大于下方，这样既保证了无人机的灵活程度，又能提升一倍的升力，这样就能够搭载更多的救援设备[2]。

在机架的选择上可以采用ZD550机架。该机架材料是碳纤维，质地轻、强度高、成本低、可折叠，同时搭配40A电调、400kV无刷电机、14寸螺旋桨，可以做多提供5kg的载重，在不同救援环境、救援需求下都能提供满足需求的救援设备。考虑到无人机在火场中对温度有特殊需求，因此，采用3S-3300mAh航模电池要比燃料驱动更合适，既能够保证无人机的载重与续航能力，又很环保。

3.信息采集传输模块

该系统组成包含了检测装置、控制模块、供电单元以及通信模块四部分。其中主控硬件电路为基于 ARM Cortex-M 内核的STM32F103RCT6最小系统;系统中电源为3.3V，由AMS1117-3.3的稳压芯片提供;外界晶振由8 M 的无源晶振与电容构成;复位电路由电阻和电容组成。以上就是ARM 芯片的最小系统构成要素。设计时，在电源部分串联一个0.1μF 瓷片电容作为滤波能够起到稳定电压的作用。

网络接入芯片采用ESP8266无线通信模块，能够实现全双工通信方式的组网。检测装置主要是对空气中火灾常见有害气体进行检测，由温感传压器、气体检测模块等构成，火场的压强、温度数据则是由稳压传感器提供。

检测装置是通过集成电路总线将现场环境参数传送到主控器，在经过主控器处理后通过无线网络发送到终端设备，再利用终端设备制定救援方案，租后操控救援设备开展救援工作。

该系统通过无线通信网络实时传输无人机采集到的数据，能够帮助消防人员快速做出决策。由于无线网传输距离长且受环境干扰小，因此适应多种复杂情况，保证无人机能够正常工作。

4.救援系统

新型无人机采用可拆卸、可替代的方式，满足不同设备的搭载需求以及对不同情况火灾事故的应对能力，扩大无人机的使用范围，提升无人机灵活性。对于城市火灾，无人机可以更快的到达现场，实现第一时间营救;对于森林火灾以及其他类型的火灾，可以搭载大型灭火弹或者对应的灭火装备进行救援，还能搭载呼吸面具、扬声器等设备。

结束语

新型无人机消防系统能够有效提高消防救援的效率与能力。因此，我们要进一步优化无人机消防救援系统的各个模块，让其能更好的发挥消防作用，减轻人员伤亡，降低财产损失，更好的保护人民的财产与生命安全。

参考文献：

[1]于昕民， 许谨， 郭丰伟，等. 基于无人机的消防灭火系统设计[J]. 中国科技信息， 2020， No.621（02）：78-79.

[2]童长鑫，林金生. 探讨新型智能化设备在消防救援中的应用[J]. 低碳世界， 2020， v.10;No.208（10）：199-200.

作者简介：韩百军，出生于1981年2月，男，汉族，籍贯（山东滕州，学历本科，职称助工，研究方向消防救援作战训练。

自贡市消防救援支队 四川 自贡 643000