多旋翼无人机在灾害现场救援中的应用

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　　摘  要：灾害事故救援活动中抢救生命是首要任务，但复杂的现场环境给搜救工作带来阻碍，多旋翼无人机作为新型智能救援产品，具有技术先进、操作简单、成本低等优势，搭载各种传感器后具有灾情航拍、生命探测、运送物资等救援能力，是前景广阔的航空救援力量。
　　关键词：多旋翼无人机;生命探测;应急救援;传感器
　　中图分类号：V19       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）15-0179-02
　　Abstract： Saving lives is the primary task in disaster and accident rescue activities， but the complex on-site environment hinders the search and rescue work. As a new type of intelligent rescue products， multi-rotor UAV has the advantages of advanced technology， simple operation and low cost. Equipped with a variety of sensors with disaster aerial photography， life detection， delivery of materials and other rescue capabilities， this product is a promising force for aviation rescue.
　　Keywords： multi-rotor UAV; life detection; emergency rescue; sensor
　　引言
　　我国是一个多灾害国家，地震、泥石流、山体滑坡、建筑倒塌等灾害事件时常发生。灾害发生后的72小时，发现掩埋下的幸存者并及时救出幸存者是救援人员面临的重大挑战。但现实搜救中，救援工作面临重重困难：灾害现场交通、通讯中断，地形复杂，救援部队无法第一时间到达重灾区域，未能及时掌握前线第一手资料;传统救援以搜救员、搜救犬为主力，辅以生命探测仪等工具搜索幸存者信息，受生理极限影响搜救區域未能迅速大面积铺开;灾害现场裸露尖锐建筑物、钢筋及松动建筑物板块造成的安全隐患较多，易对救援人员及幸存者造成伤害。
　　无人驾驶飞机简称“无人机”（“UAV”），是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机，可实现操手远程控制或由机载计算机自主控制。无人机分为固定机翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机，最早多用于战场侦察、定位校射等军事任务。随着新技术的发展，无人机逐渐应用到民用领域，尤其是多旋翼无人机以其起降不需要专门场地、体积小、操作简单，搭载多种新型传感器便能胜任恶劣、复杂、高危环境的优势，逐渐投入到灾害现场救援的应用中。
　　1 多旋翼无人机的工作原理及优势
　　多旋翼无人机，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶飞行器，通过各轴上的电动机转动带动旋翼，从而产生升推力。多旋翼无人机结构简单，小巧灵活，造价成本低，操纵上可实现垂直起降、稳速悬停，飞行范围可控，对起降场地和跑道无限制，在复杂环境中还能实现低空飞行又不用考虑驾驶人的安全问题。多旋翼无人机可搭载各种用途的传感器，变成针对性的实用智能工具。如搭载高清航拍摄像头，通过摇杆控制调节拍摄角度和距离，可以实时获取图像、声音数据;搭载多用途传感器，实现获取信息途径的智能化，变身行业化应用工具。
　　2 多旋翼无人机在灾害现场中的应用
　　2.1 航拍灾害现场形成图像分析
　　地震、泥石流、山体滑坡等大型灾害现场，现场地势复杂，交通中断，救援队伍第一时间靠人力往往难以全面收集灾况信息，无法为全方位的救灾部署提供依据。掌握灾害现场具体的受灾程度，迅速打通生命通道是亟待解决的问题。多旋翼无人机搭载高清航拍摄像头后，可以赶在救援部队到达之前就开展高空侦查活动，通过远程实时操控，及时传回清晰的图像、声音数据。通过无人机航拍处理后生成的图像分析，后台指挥部可以根据受灾轻重区域做出人员调配、物资调度、救援路线的规划，为科学救援提供精准方案。
　　如灾情评估严重，为做好长线救援规划，还可利用无人机倾斜摄影测量技术生成灾害现场的三维分析模型。目前多旋翼无人机倾斜摄影测量技术有了很大突破，通过在无人机同一飞行平台搭载多个高分辨率镜头，完成灾害现场区域布点的垂直、倾斜多个角度大规模影像收集，再经过计算机对获取影像数据的校验、处理、合成，最后形成逼真的灾区三维模型，为灾情研判和灾后重建工作提供更有力的支撑。
　　2008年汶川大地震后灾区通信中断，中科院研究队伍率先尝试将无人机应用到震中灾区航拍，及时获取封闭地区高精度的灾情信息。后来的玉树、芦山、鲁甸地震，无人机在抢险救灾中均有重要的应用，未来无人机将是应急救援中不可或缺的高科技力量。
　　2.2 巡航探测生命迹象
　　 发现生命迹象及时抢救幸存者是救援工作的首要目标，生命探测仪是目前认为有效且广泛地用于灾害现场搜索生命的救援工具。常见的生命探测仪有声波振动探测仪、红外生命探测仪、雷达生命探测仪等。传统搜救模式是救援人员携带生命探测仪近距离接触灾害现场进行救援工作，救援人员劳动强度大，且复杂、高危的地形对救援人员的行动造成一定的安全隐患。无人机搭载生命探测仪通过电池补给、多机替换巡查，行动速度快，抢救效率高，还能保障救援人员的人身安全。
　　（1）多旋翼无人机搭载红外生命探测仪。红外生命探测仪是常用的生命探测仪，主要依据感知温度的差异来区分搜索目标。任何温度在绝对零度以上的物体都能产生红外辐射，人体作为天然的红外辐射源，其恒温的特性使其发射出的红外波段具有固定的范围值，约在3-50μm波段，其中46%的人体辐射能量集中在8-14μm波段。红外生命探测仪的核心部件由能检测这个特殊波段的红外光电传感器构成，如果找到这个范围的红外线，意味着该区域存在幸存者的可能性很大。红外生命探测仪还具有夜视功能，不受黑夜、雾霾、浓烟环境的影响。搜救人员能力有限的情况下，使用多旋翼无人机搭载红外生命探测仪进行生命搜索，能随时深入能见度低的环境进行长时间工作，既能与死神争夺黄金救援的每分每秒，又能提高对幸存目标的区域定位，为下一步开展救援提供方向。 　　（2）多旋翼无人机搭载雷达生命探测仪。雷达生命探测仪是利用多普勒效应来探测生命信息的救援工具，利用电磁波穿透建筑废墟等遮挡介质对一定近空间进行扫描，接收器接收反射回来的信号并进行智能分析，人体存在呼吸、心跳、移动等微小变化就能被灵敏识别出来，再经过测量计算对幸存者精准定位。雷达生命探测仪不受遮挡物的影响，穿透力强，抗干扰性能好，非常适用于地震、坍塌、建筑物倒塌下的生命救援，是目前最有效最具潜力的生命探测仪。
　　雷达生命探测仪在复杂灾害现场工作时通常划分区域进行搜索，为达到良好的工作效果，需尽可能地清除划分区域内的活动人员，以减少外界带来的干扰。经过无人机飞行的“全局布网”和“二次排查”，计算机仿真软件及时捕捉多旋翼无人机搭载雷达生命探测仪工作的区域及探测信息，能够多方位探測幸存者的准确位置，提高了探测精度和搜索速度。
　　3 多旋翼无人机应急救援中需要提高的技术问题
　　多旋翼无人机在灾害现场应急救援的优势很多，但也存在一些需要继续研究改进的问题：
　　3.1 多旋翼无人机的载重能力
　　 多旋翼无人机的载重能力有限，搭载传感器等设备的最大重量在5-10kg左右。多旋翼无人机应急救援中需要搭载的传感器越来越集成化，为了保证“搭配”工作的稳定性，对无人机的载重能力要求越来越高。无人机制造商开始研究采用碳纤维复合材料来生产无人机机壳，与原来的金属材料机壳相比能达到35%-50%的减重幅度，从而为无人机提高载重能力带来提升空间。
　　3.2 多旋翼无人机的续航能力
　　 目前我国无人机主要使用锂聚合物电池供电，续航能力在30-50分钟之间，充电超过60分钟。如果携带一定重量的传感器飞行，续航能力会明显下降，延长无人机的续航能力是拓展无人机发展前景的门槛。寻找更加持久耐用的电池能源成为亟待攻克的技术难题，科研团队已经尝试开发无人机的氢燃料电池、太阳能电池，并研发新的充电模式提升无人机的续航能力。2018年西雅图WiBotic公司为大疆商用无人机推出了一种无线电源系统，用户十分钟内就能安装好系统对无人机进行充电，便捷实用。这项研发为无人机创新持续续航能力带来了新思路。
　　3.3 无人机操手技能水平的提高
　　 多旋翼无人机可通过人为操控和系统自动操控，人为操控要求操手专业技能熟练，反应迅速，同时具有严谨操作的职业道德;系统操控要求操手熟识指令操作，无人机出现飞行偏移、失控时能及时排查系统故障。操手就是多旋翼无人机的后方指挥官，还需具有航拍、测绘、救援技能等综合行业知识储备。高级无人机操手的培养也是无人机前景发展需要的研究方向。
　　4 结束语
　　多旋翼无人机在灾害现场应急救援中具有巨大的潜力，多次抢险救灾中已经有评价颇高的优异表现。随着多旋翼无人机载重、续航等短板问题的攻克，与各类新型专用传感器智能化结合，多旋翼无人机势必是未来灾害现场航空救援的主力军。
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