鄭 州 張啟行

一、前言

隨著我國(guó)航海事業(yè)蓬勃發(fā)展，海上救助力量不斷壯大，救助無(wú)人機(jī)以其快速性、高效率，必將成為未來(lái)海上救助的一大亮點(diǎn)，給海上人命救助帶來(lái)更多的生存時(shí)間和機(jī)會(huì)。但目前無(wú)人機(jī)在救助方面只是停留在海上航拍搜尋取證階段，如交通運(yùn)輸部北海救助局的海上航拍無(wú)人機(jī)（見圖1），與實(shí)際人員救助轉(zhuǎn)移功能的實(shí)現(xiàn)存在很大差距。無(wú)人機(jī)所處環(huán)境惡劣，并存在風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)其性能要求極高，本文對(duì)無(wú)人機(jī)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

圖1 海上無(wú)人機(jī)訓(xùn)練實(shí)圖

二、救助無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

救助無(wú)人機(jī)硬件平臺(tái)搭建可采用靈活的模塊式嵌入，飛行結(jié)構(gòu)一般主要由八個(gè)部分構(gòu)成：電源單元、微控單元、姿態(tài)測(cè)量單元、高度測(cè)量單元、無(wú)線通信單元和執(zhí)行器單元、救助監(jiān)測(cè)單元、功能輔助單元。如圖2所示。電源單元采用能量密度大的三元鋰電池，可采購(gòu)比亞迪公司的電池，并要求電池支持快充技術(shù)。救助監(jiān)測(cè)單元包括救生纜機(jī)與360°云臺(tái)攝像機(jī)。功能輔助單元有避障雷達(dá)、GPS、廣播、溫度傳感器、濕度傳感器、氣囊釋放裝置等。目標(biāo)姿態(tài)通過(guò)無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信單元輸入到微控單元，微控單元處理好的數(shù)據(jù)和命令傳到執(zhí)行模塊單元，接著通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元把信號(hào)傳遞給電機(jī)，然后轉(zhuǎn)到旋翼，旋翼的動(dòng)作改變了無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，于是飛行姿態(tài)測(cè)量單元將相關(guān)信息傳給飛控單元進(jìn)行姿態(tài)反饋，以便對(duì)目標(biāo)姿態(tài)矯正對(duì)比[1]，如圖3所示。這樣就構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。

三、救助無(wú)人機(jī)的功能性設(shè)計(jì)分析

1.防水功能

圖2 救助無(wú)人機(jī)系統(tǒng)硬件整體框圖

圖3 救助無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

救助無(wú)人機(jī)工作在海上，防水功能是第一要素。在目前的無(wú)人機(jī)應(yīng)用中，有些產(chǎn)品的防水功能已經(jīng)比較成熟。如航拍無(wú)人機(jī)斯威普水手3（見圖4），其防水功能就比較先進(jìn)。此款無(wú)人機(jī)不僅可以在水上起飛，還可以以任何姿態(tài)落水且不會(huì)沉沒。且其重心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)良，無(wú)論以任何姿態(tài)飛行，失控時(shí)都會(huì)以旋翼朝上的姿態(tài)降落在水里，以等待系統(tǒng)恢復(fù)重新起飛。建議以此無(wú)人機(jī)防水設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，增配自動(dòng)釋放氣囊裝置。具體而言，當(dāng)無(wú)人機(jī)在失控墜落入水前，可以人為遙控或者根據(jù)重力加速度感應(yīng)裝置自動(dòng)在無(wú)人機(jī)底部釋放氣囊，從而使無(wú)人機(jī)墜落時(shí)直接落在氣囊上。該氣囊的浮力要求不僅能夠支撐一個(gè)無(wú)人機(jī)的重量，還應(yīng)能支撐1～2個(gè)成年人的重量，這樣既可以避免救助過(guò)程中的二次傷害，還可以確保在救助過(guò)程中人員落水后可以攀爬到氣囊上以待更進(jìn)一步的救援。其原理設(shè)計(jì)可以參考飛船返回艙降落在海上的相關(guān)技術(shù)。

圖4 斯威普水手3無(wú)人機(jī)

2.人員轉(zhuǎn)移功能

目前，無(wú)人機(jī)載重方面的技術(shù)也比較成熟。在軍事領(lǐng)域中，某國(guó)無(wú)人機(jī)可以搭載近500千克的導(dǎo)彈。挪威GRIFF公司推出一款無(wú)人機(jī)GRIFF300（見圖5），其續(xù)航時(shí)間在30～45分鐘，載重量達(dá)225千克，可以輕松地把2～3個(gè)成年人吊起飛行半個(gè)多小時(shí)。

圖5 GRIFF300無(wú)人機(jī)

螺旋槳升力公式為

其中：ρ為當(dāng)前大氣密度，1 000米以下近似為1；d為螺旋槳的直徑；p為螺旋槳的螺距；l為螺旋槳的寬度；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)；Cr為螺旋槳的升力系數(shù)[2]。假設(shè)螺旋槳的直徑為1米,螺距為0.45米，螺旋槳寬度為0.1米，螺旋槳的轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/秒，升力系數(shù)為0.25，由式（1）可得一個(gè)螺旋槳的靜態(tài)升力為1×1×0.45×0.1×60×0.25=40.5千克。因此在理論上，設(shè)計(jì)四旋翼以上救助無(wú)人機(jī)的承載量為120千克是可行的。

對(duì)于救助無(wú)人機(jī)，人命救助能力是海上救助的核心能力之一。目前無(wú)人機(jī)在人命救助方面的功能還有巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。救助無(wú)人機(jī)在承載能力達(dá)標(biāo)的前提下，可設(shè)計(jì)具備投送救助纜繩和轉(zhuǎn)移人員功能的放纜裝置（見圖6），這種放纜方式與救助直升機(jī)的絞車類似?？赏ㄟ^(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)距然后人為遙控放纜，也可以自行一鍵放纜，無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載處理器計(jì)算出機(jī)身與甲板的高度后進(jìn)行自動(dòng)放纜，也可以通過(guò)調(diào)整自身的高度然后進(jìn)行放纜以確保纜繩能與甲板接觸。具體工作原理如下：當(dāng)無(wú)人機(jī)在空中穩(wěn)定懸停后，操作人員只要在遙控臺(tái)上按下一鍵放纜，無(wú)人機(jī)接收到該信號(hào)后，就可以通過(guò)救助監(jiān)測(cè)單元把自鎖解開，即把固定液壓桿向左抽出滾筒后，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)放纜，無(wú)人機(jī)可以根據(jù)自身的高度進(jìn)行放纜長(zhǎng)度限定，當(dāng)纜繩的鉤頭掛上被救人員的身體后，固定液壓桿向右伸進(jìn)纜繩滾筒到右邊插孔，右邊的插孔液壓桿接近傳感器接收到液壓桿固定自鎖的信號(hào)后，把準(zhǔn)備信號(hào)發(fā)給母船的操作臺(tái)，以便操作人員對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行返航飛行操作。當(dāng)被救人員轉(zhuǎn)到救助船上后，操作人員可進(jìn)行收攬操作，在無(wú)人機(jī)接收到收攬操作信號(hào)后，無(wú)人機(jī)的固定液壓桿又會(huì)向左抽出滾筒，然后電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行收攬工作。這里的液壓桿是為了固定纜繩滾筒在受重力的情況下不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以確保被救人員的生命安全。

3.視頻實(shí)時(shí)傳輸功能

救助無(wú)人機(jī)一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)是視頻實(shí)時(shí)傳輸功能，這將為制訂海上險(xiǎn)情應(yīng)急處置措施提供有力的參考依據(jù)。視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)要求較高，主要是因?yàn)榇齻饕曨l圖像數(shù)據(jù)率高，而數(shù)據(jù)的相關(guān)性及壓縮率極低，且信道復(fù)雜，因此要求圖像壓縮算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，海上救助中區(qū)域電子環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾嚴(yán)重，因此要求通信系統(tǒng)輻射功率低，頻譜利用率高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、輕巧，尤其是機(jī)載部分。在信源編碼上采用IWT和SPIHT編碼算法，其算法壓縮率高，可累進(jìn)傳輸且對(duì)信道具有良好的抗噪性能和魯棒性。傳輸體制采用級(jí)聯(lián)RS-TCM和OFDM，頻譜利用率高且不會(huì)因?yàn)榻槿朐肼暬蚋蓴_而使性能受損。最后在系統(tǒng)上利用頻分復(fù)用技術(shù)，以提高抗多徑、抗回波性能[3]。另外，航拍相機(jī)的技術(shù)要求也較高。一般海上夜間救助很多，因此攝像機(jī)最好具備紅外攝像功能，在夜晚也能看清難船及遇險(xiǎn)人員情況，尤其對(duì)于監(jiān)測(cè)發(fā)生火災(zāi)船舶的熱量分布情況非常實(shí)用。相關(guān)技術(shù)可以參考國(guó)內(nèi)的大疆無(wú)人機(jī)。目前大疆公司研發(fā)的無(wú)人機(jī)Inspire 2（見圖7），其圖像傳輸距離為7千米，且其云臺(tái)技術(shù)較為穩(wěn)定可靠，可以滿足海上救助航拍要求。

圖7 大疆無(wú)人機(jī)Inspire 2

4.自動(dòng)避障功能

自動(dòng)避障功能[4]是救助無(wú)人機(jī)應(yīng)該具備的功能。海上救助環(huán)境復(fù)雜，特別是當(dāng)救助船舶發(fā)生火災(zāi)時(shí)，滾滾濃煙將影響攝像頭的清晰度，甚至在濃煙中很難辨別方向，使無(wú)人機(jī)撞上船體，造成無(wú)人機(jī)受損。無(wú)人機(jī)避障傳感器繁多，筆者建議采用雷達(dá)波傳感器，因?yàn)槔走_(dá)波受煙霧干擾較小，可安裝在無(wú)人機(jī)的各個(gè)方向上，一般是機(jī)身的四周和上下部位。而且雷達(dá)波的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距，以免螺旋槳碰到障礙物。

5.一鍵起降功能

無(wú)人機(jī)的起步飛行和方向控制一直是人工操作的難點(diǎn)，因此無(wú)人機(jī)操作人員需進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)。如今智能化操作技術(shù)可以解決此項(xiàng)難題?，F(xiàn)在的無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行一鍵起降，如大疆無(wú)人機(jī)Inspire 2，該無(wú)人機(jī)通過(guò)姿態(tài)控制和相關(guān)算法，可以實(shí)現(xiàn)“定高度”的起飛和空中懸停。這樣便可以增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的操作便捷性，人員只需了解設(shè)備功能性操作便可自行操作。

6.自動(dòng)返航功能

無(wú)人機(jī)還需增加自動(dòng)返航功能，該功能可以在需要緊急撤離時(shí)、無(wú)人機(jī)低電量和無(wú)線信號(hào)失傳等情況下應(yīng)用。這一智能化功能已經(jīng)相對(duì)成熟，通過(guò)3D成像掃描和記錄軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。一般智能化程度較高的無(wú)人機(jī)都具備此功能，可為海上救援增加便利性。

7.定點(diǎn)跟蹤巡航功能

該功能作用是通過(guò)對(duì)目標(biāo)的鎖定進(jìn)行360°的自動(dòng)跟蹤航拍，這樣不僅可以減少人為誤操作和人力投入，而且航拍的視頻更穩(wěn)定清晰[6]。該技術(shù)也可以參考大疆無(wú)人機(jī)Inspire 2。

8.電池低電量提示和無(wú)人機(jī)語(yǔ)音通話廣播功能

電池低電量提示為無(wú)人機(jī)的基本功能，并需附上可續(xù)航里程和時(shí)間?？稍O(shè)置在電量低于20%時(shí)進(jìn)行提示是否自動(dòng)返航，或在電量低至10%時(shí)自動(dòng)強(qiáng)行返航。該功能可以結(jié)合上述第六點(diǎn)功能。語(yǔ)音通話廣播功能是指母船可以通過(guò)WiFi對(duì)難船進(jìn)行交流以便了解難船情況，也可以對(duì)難船發(fā)出廣播，以安撫難船的人員。該技術(shù)可以結(jié)合前面的視頻直播功能。

四、救助無(wú)人機(jī)的應(yīng)用分析

1.搜救定位

搜救定位是無(wú)人機(jī)的基本功能。無(wú)人機(jī)自帶的全景相機(jī)和紅外感應(yīng)可實(shí)現(xiàn)夜間搜尋，還可通過(guò)自帶的GPS和北斗導(dǎo)航，對(duì)搜救的船舶和人員進(jìn)行目標(biāo)鎖定，并通過(guò)無(wú)線信號(hào)把三維的目標(biāo)位置發(fā)給救助船舶和指揮中心。

2.物資轉(zhuǎn)運(yùn)

物資轉(zhuǎn)運(yùn)是救助無(wú)人機(jī)的必備功能。該功能源于無(wú)人機(jī)的載重能力，而且如上所述救助無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)120千克的載重能力。且對(duì)承載的貨物品種無(wú)任何要求，如水、糧食、醫(yī)藥用品等，大大提高了被救人員的存活率。

3.人員轉(zhuǎn)移

在必要的條件下可以對(duì)人員進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移，且對(duì)被救人員要求較低。被救人員只需要身穿救生衣或使用腰帶，把無(wú)人機(jī)纜繩的掛鉤掛到自己的救生衣或腰帶上就可以進(jìn)行。除了可以對(duì)難船的人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移，也可以對(duì)落水人員進(jìn)行救助轉(zhuǎn)移。此外，救助無(wú)人機(jī)可以對(duì)難船放纜位置做出及時(shí)調(diào)整，方便被救人員上鉤，轉(zhuǎn)移人員速度快，大大提高了救助效率，縮短了救助時(shí)間。

4.纜繩拖帶

目前船舶相互拖帶主要采用傳統(tǒng)的人工拋纜方式，這要求拋纜的水手臂力強(qiáng)勁且拋纜技術(shù)過(guò)硬。因?yàn)閽伬|易受天氣影響，如果海上存在大風(fēng)，就很難準(zhǔn)確地把纜繩拋到對(duì)方船舶上，因而會(huì)耽誤海上救援。此時(shí)可以利用救助無(wú)人機(jī)帶纜到對(duì)方船舶上，在第一時(shí)間對(duì)難船進(jìn)行拖帶救助，避免造成不必要的損失。

5.對(duì)難船實(shí)時(shí)跟蹤報(bào)道

跟蹤報(bào)道的應(yīng)用源于救助無(wú)人機(jī)定點(diǎn)跟蹤巡航功能和無(wú)線視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。無(wú)人機(jī)可以對(duì)難船進(jìn)行360°全景錄像并且同步傳輸，以便救助指揮人員全面查看事故海域的難船情況，快速制訂救援方案，為救援爭(zhēng)取有利時(shí)機(jī)。

6.與難船人員進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通

當(dāng)難船通信設(shè)備故障與救助船舶失去聯(lián)系時(shí)，救助無(wú)人機(jī)可以當(dāng)做視頻電話用。利用無(wú)人機(jī)可以與難船保持溝通，了解難船人員物資等情況，并及時(shí)拍攝記錄事故船舶的狀況。救助無(wú)人機(jī)還可以搭載廣播功能，在救援現(xiàn)場(chǎng)起到安撫被救人員情緒的作用，以達(dá)到高效的救援效果。

五、救助無(wú)人機(jī)的海上應(yīng)急救助效能

1.保障救助人員生命安全

救助無(wú)人機(jī)為空中機(jī)器人，在某些情況下可以替代救助人員，特別是在高危海域或不適合人員出動(dòng)的情況下，如發(fā)生火災(zāi)的油輪、溢油海面、懸崖、沙漠、沼澤地等。救助無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速的空對(duì)地救援，大大保障了救助人員的生命安全，降低了救助成本。

2.擴(kuò)大搜救范圍和減少搜救時(shí)間

救助無(wú)人機(jī)結(jié)合救助船舶實(shí)現(xiàn)海空一體化救援，可以有效擴(kuò)大救助半徑。救助無(wú)人機(jī)一般設(shè)計(jì)均速為5米/秒，續(xù)航時(shí)間為30分鐘，續(xù)航里程為9 000米。以救助船舶為初始點(diǎn)，可以為一定范圍內(nèi)的搜尋救助工作提供強(qiáng)有力支持。且救助無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，質(zhì)量相對(duì)輕便，配合救助船舶使用，將使搜救距離縮短一半以上。在我國(guó)每個(gè)固定海域就有一艘救助船舶拋錨在海上時(shí)刻等待救援任務(wù)。以我國(guó)北部海域?yàn)槔?，?2艘救助船舶分布在各個(gè)事故多發(fā)的海域，特別是高危海域附近都布有救助船舶時(shí)刻動(dòng)態(tài)待命。當(dāng)海上發(fā)生事故，附近的救助船舶可以立即出發(fā)救援，同時(shí)結(jié)合救助無(wú)人機(jī)在可飛行范圍內(nèi)，可以提前勘察情況，把救援距離縮小到十幾海里甚至是幾海里，這將大大降低救助成本消耗，同時(shí)縮短救助時(shí)間。

3.降低救助的經(jīng)濟(jì)成本

傳統(tǒng)的海上救助方式一般是直升機(jī)或者救助船舶去往救助海域。以救助直升機(jī)而言，每出動(dòng)一次救援，單論燃油消耗就是一筆極大的資金投入，載人數(shù)量為5人的小型直升機(jī)一小時(shí)的耗油量約為3 000元，如難船出事地距離岸邊幾十海里，直升機(jī)從陸地出發(fā)來(lái)回平均時(shí)間為3個(gè)小時(shí)，其燃油費(fèi)高達(dá)上萬(wàn)元[7]。而無(wú)人機(jī)只需要對(duì)其進(jìn)行充電，消耗的是成本低廉的電能。參照新能源汽車可知，以比亞迪公司的純電動(dòng)汽車元EV為例，該汽車電池容量為42千瓦小時(shí)，其續(xù)航里程達(dá)305千米。

六、救助無(wú)人機(jī)研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)分析

1.抗風(fēng)浪能力

海上環(huán)境惡劣，一般在海難發(fā)生時(shí)會(huì)伴隨著大風(fēng)大浪，因此救助無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性要求須比一般陸地上的飛行器高，而且海上的風(fēng)向是隨時(shí)可變的，這就需要無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制算法快速精確，能及時(shí)感知自身擺動(dòng)角度，并作出及時(shí)矯正，具體設(shè)計(jì)還需要通過(guò)實(shí)際的測(cè)試來(lái)進(jìn)行評(píng)估。

2.電池續(xù)航能力

海上救援時(shí)間緊迫，要求無(wú)人機(jī)有足夠的電能支撐，因此對(duì)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力要求較高，這就需要能量密度大且穩(wěn)定性好的鋰電池。根據(jù)以往的救助經(jīng)驗(yàn)，要求無(wú)人機(jī)在滿載且最大的水平飛行速度情況下續(xù)航時(shí)間至少為30分鐘，而且這只是一套電池續(xù)航能力。在電池設(shè)計(jì)方面，可以增加電池快速更換和快充功能。具體而言，當(dāng)?shù)谝惶纂姵仉娏康蜁r(shí)，可以快速更換第二套電池，而且要求在第二套電池即將用盡時(shí)，第一套電池充電量要達(dá)到80%以上。該技術(shù)可以參考純電動(dòng)汽車。

3.載重飛行能力

目前市面上的無(wú)人機(jī)大都是用作航拍，體積小，重量輕。而救助無(wú)人機(jī)則需要救人或攜帶投送引纜，載重能力至少在120千克以上，也就是在風(fēng)浪天至少能夠搭載1～2個(gè)成年人。這要求無(wú)人機(jī)旋翼電機(jī)輸出扭矩大，轉(zhuǎn)速高，螺旋槳?jiǎng)傂砸惨獜?qiáng)。因此在材料的選擇上應(yīng)充分考慮。

七、結(jié)論

綜上所述，救助無(wú)人機(jī)應(yīng)用前景廣闊，潛力巨大。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不斷完善，以及無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的不斷深入拓展，文中所述救助無(wú)人機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)必然可以攻克，相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)指日可待。