王培毅 伍剛 邢志斌

摘要：基于森防任務(wù)區(qū)域地勢復(fù)雜、幅員遼闊等因素以及無人機(jī)飛行事故特點(diǎn)，文章提出通過自動(dòng)避障、路徑規(guī)劃、ADS-B系統(tǒng)、仿地飛行等主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)，為后續(xù)森防無人機(jī)飛行過程中安全管理框架的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：森防無人機(jī);ADS-B;避障雷達(dá);雙目下視;仿地飛行

一、垂起無人機(jī)森防的場景應(yīng)用

我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)在2016年產(chǎn)值已達(dá)到150億元，近年來行業(yè)產(chǎn)值更是迅猛發(fā)展，其在搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測、航拍測繪、物流運(yùn)輸、農(nóng)林植保、個(gè)人消費(fèi)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為新近崛起的潛力裝備，無人機(jī)以其強(qiáng)大的功能和獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值收獲了應(yīng)急、森防、消防部門的高度青睞，2021年應(yīng)急管理部科技和信息化司發(fā)布《應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法裝備配備標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，在應(yīng)急森防等綜合管理配備表中，亦將無人機(jī)列入。

垂起無人機(jī)具備建造和使用成本低、地勤保障要求低、人員安全風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，同時(shí)其技術(shù)的不斷創(chuàng)新，其品質(zhì)、性能的不斷提升，以及價(jià)格的趨于合理，使得垂起無人機(jī)在森防領(lǐng)域的應(yīng)用變得愈來愈多，當(dāng)前我國各地森防部門以此來加強(qiáng)日常巡查、火場偵查、空中通信、輔助救援等業(yè)務(wù)已成為常態(tài)。

無人機(jī)可搭載可見光視頻圖像和熱成像視頻圖像吊艙荷載，配合AI林火識別算法，一方面，對重點(diǎn)防火區(qū)域每天進(jìn)行常規(guī)巡查覆蓋，充分響應(yīng)“打早、打了”的防火目標(biāo)，對于森林中的地下火或者茂密枝葉掩蓋下的林火進(jìn)行巡查預(yù)警，還可重點(diǎn)對人員進(jìn)山、野外用火等情況進(jìn)行巡查。另一方面，無人機(jī)能對火情態(tài)勢從空中進(jìn)行持續(xù)觀察，使滅火指揮部門能夠迅速有效地組織力量部署，提高滅火作戰(zhàn)效率，減少救火人員的傷亡。

二、主動(dòng)安全性技術(shù)概述

（一）安全性技術(shù)研究的必要性

隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)在各行業(yè)場景迅速發(fā)展，無人機(jī)事故發(fā)生造成的大量經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅著公共安全和國家安全，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。從2006年無人機(jī)行業(yè)迅猛發(fā)展，無人機(jī)使用量激增，無人機(jī)的飛行事故總量逐漸上升，其后隨著平臺(tái)、飛控、航電、材料、工藝、結(jié)構(gòu)件等技術(shù)發(fā)展，使無人機(jī)事故率保持穩(wěn)定而略呈下降的總趨勢。

無人機(jī)安全性能的提高，依賴于無人機(jī)系統(tǒng)各分項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步與整體管理水平的綜合提高，是基于安全性完成分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等全過程管理技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。無人機(jī)的飛行事故除了受任務(wù)系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃與地面控制站、特定的起降設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈路等多種自身飛行系統(tǒng)因素的影響，還會(huì)受到使用環(huán)境條件、執(zhí)行任務(wù)等的影響。事故的主導(dǎo)因素常常并非單一因素，而是多種因素關(guān)聯(lián)影響造成。

一般而言，無人機(jī)事故中最常見的原因之一便是駕駛員操作失誤，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)人為操作因素約占到無人機(jī)事故總量的31%。具體到不同型號無人機(jī)則可能有差異，如美國RQ-7、RQ-5，人為因素的事故率分別占21%和47%。因此，在設(shè)計(jì)過程中針對確定的人為因素進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，可以很大程度減少人為因素導(dǎo)致的事故。

（二）主動(dòng)安全技術(shù)的范圍

無人機(jī)整體的安全性包括結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)、電氣安全性設(shè)計(jì)、原材料與元器件選用安全性管理、應(yīng)急處理措施以及使用管理安全性控制等要求。其安全性設(shè)計(jì)與系統(tǒng)研制同步開展，同步設(shè)計(jì)，同步驗(yàn)證，一般包括：

1.無人機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)應(yīng)與產(chǎn)品功能、性能、預(yù)期使用環(huán)境等要素進(jìn)行綜合權(quán)衡，通過安全性分析，確定安全性設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)證;

2.無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)備、程序或人機(jī)界面以應(yīng)對可能出現(xiàn)的緊急情況;

3.應(yīng)進(jìn)行區(qū)域安全性分析或檢查，對鄰近系統(tǒng)、設(shè)備或部件的故障影響采取相應(yīng)措施;

4.應(yīng)對影響無人機(jī)系統(tǒng)安全的部位進(jìn)行標(biāo)識;

5.應(yīng)按使用要求配置必要的檢測和聲光警告裝置;

6.與安全有關(guān)的事項(xiàng)，應(yīng)在使用維護(hù)相關(guān)技術(shù)資料中作出明顯標(biāo)識。

本研究則是在無人機(jī)系統(tǒng)中已集成搭載IMU、GPS、地磁等傳感器成熟性技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，側(cè)重通過加裝自動(dòng)避障、感知飛行器及三維仿地飛行等主動(dòng)安全性設(shè)計(jì)，從感知障礙、繞過障礙、主動(dòng)航線規(guī)避等多維度實(shí)現(xiàn)在垂起無人機(jī)飛行過程中的安全保障。

三、主動(dòng)安全技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

（一）系統(tǒng)整體架構(gòu)

在包含圖傳天線、數(shù)傳天線、飛行控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、載荷、無線通信鏈路等通用組成部分外，本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)安全技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

基于自動(dòng)避障、仿地飛行等主動(dòng)安全技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)主要涉及機(jī)載分系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控）、地面站控制系統(tǒng)、無線通信鏈路，其各部分的任務(wù)和聯(lián)系如下：

機(jī)載分系統(tǒng)主要包括在飛行平臺(tái)中搭載雙目視覺系統(tǒng)、毫米波避障雷達(dá)系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)，完成自動(dòng)避障過程中障礙物感知的任務(wù)，通過感知外部飛行器、前方及下方障礙物等實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)提交飛控系統(tǒng)或通過無線通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。

地面站控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對采集到的圖像信息進(jìn)行分析，在發(fā)現(xiàn)威脅之后，及時(shí)發(fā)送指令給飛控系統(tǒng);飛控系統(tǒng)收到指令之后，通過控制無人機(jī)的速度、航向等完成障礙規(guī)避。

無線通信鏈路則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間有關(guān)控制指令、回傳數(shù)據(jù)的無線通信傳輸，對其他幾個(gè)部分起到了通信橋梁的作用。

（二）機(jī)載分系統(tǒng)

1.分系統(tǒng)概述

機(jī)載分系統(tǒng)中搭載的視覺系統(tǒng)位于飛行器任務(wù)艙底部，由一組雙目攝像機(jī)組成;毫米波雷達(dá)系統(tǒng)位于任務(wù)艙底部和前部，由毫米波測距傳感器組成;搭載ADS-B系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知160公里范圍內(nèi)的飛行器，實(shí)現(xiàn)威脅預(yù)警。飛行器迫降時(shí)，視覺系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)視覺算法感知飛行器下方環(huán)境，實(shí)時(shí)檢測障礙物的距離和輪廓，規(guī)避障礙物并自主選擇良好的降落點(diǎn)。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)通過測距感知飛行器前、下方障礙物，并實(shí)時(shí)自動(dòng)規(guī)避。

2.毫米波雷達(dá)系統(tǒng)

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)基于面向人機(jī)安全交互的智能避障技術(shù)。飛行平臺(tái)外殼內(nèi)部的前方及下方內(nèi)側(cè)分別安裝有毫米波雷達(dá)傳感器，承載外殼內(nèi)部位于雷達(dá)傳感器之間安裝有控制模塊。毫米波雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備，通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、方位、角度等信息。在起飛、飛行、降落各階段實(shí)時(shí)感知障礙物，如檢測到障礙物，無人機(jī)可立即改變飛行路徑，保障飛行安全。

毫米波雷達(dá)避障系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)感知障礙物距離，然后通過避障模塊進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足設(shè)定條件時(shí)進(jìn)行避障控制。避障模式分為前向避障和下向避障。其測距范圍為0.5～240m;其波束寬度：方位面28°，俯仰面18°，因前視避障和后視避障安裝方位差異，如圖2所示：

3.雙目視覺系統(tǒng)

雙目視覺系統(tǒng)采用兩個(gè)相同型號的CCD攝像頭組合而成，搭載于無人機(jī)平臺(tái)下方。通過雙目攝像頭視覺系統(tǒng)進(jìn)行障礙物識別，對飛行過程中下方的障礙物進(jìn)行檢測，獲取外部環(huán)境圖像信息。雙目相機(jī)采用全時(shí)期檢測障礙物模式，其實(shí)際視場角：左右60°，前后40°;實(shí)際探測距離為50m。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，通過雙目攝像機(jī)各獲得一張障礙物的圖像，利用視差原理、產(chǎn)生的立體視覺信息和視覺算法，以此獲得障礙物的三維空間坐標(biāo)計(jì)算值，進(jìn)而可獲得該障礙物的深度值，基于所獲取到的深度值得到無人機(jī)與障礙物之間的距離。

若無人機(jī)降落時(shí)，當(dāng)離地50m時(shí)開始自動(dòng)進(jìn)行降落點(diǎn)智能篩選、地形智能感知，當(dāng)探測到屋頂、懸崖等降落地時(shí)實(shí)時(shí)規(guī)避，確保飛行器安全降落。

4.ADS-B系統(tǒng)

ADS-B系統(tǒng)是集通信與監(jiān)視于一體的信息系統(tǒng)，是廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）的簡稱，由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示三部分組成。它把沖突探測、沖突避免、沖突解決、ATC（空中交通管制，Air Traffic Control）監(jiān)視和ATC一致性監(jiān)視以及機(jī)艙綜合信息顯示有機(jī)地結(jié)合起來。配備有ADS-B的垂起無人機(jī)在飛行過程中，發(fā)現(xiàn)160公里范圍內(nèi)威脅預(yù)警，同時(shí)飛機(jī)通過調(diào)整高度或飛行方向的方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避，確保飛行安全。

機(jī)載電子設(shè)備包括GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)機(jī)及其天線、駕駛艙沖突信息顯示器CDTI，裝配后不需要任何地面輔助設(shè)備即可完成相關(guān)功能。

（三）飛行控制系統(tǒng)

無人機(jī)飛控是無人機(jī)的大腦，是指能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)。垂起無人機(jī)的飛行控制主要包括方向、副翼、升降、油門、襟翼等控制舵面，通過舵機(jī)改變飛機(jī)的翼面，產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎、爬升、俯沖、橫滾等動(dòng)作。

各機(jī)載分系統(tǒng)模塊間通過ROS消息（TCP）的通信模式，與飛控采用SPI通信方式（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）。飛控與地面站系統(tǒng)主要交付是一方面接收地面站的用戶指令，另一方面向地面站回傳航測或視覺數(shù)據(jù)。其與機(jī)載分系統(tǒng)交付主要是為機(jī)載分系統(tǒng)提供GPS信息、離線高層、飛行狀態(tài)、各分系統(tǒng)開關(guān)指令、雷達(dá)測距指令等，同時(shí)接收各分系統(tǒng)的相機(jī)/系統(tǒng)狀態(tài)、測距數(shù)據(jù)、視覺數(shù)據(jù)等，供飛控系統(tǒng)內(nèi)部判斷和控制無人機(jī)航線及飛行姿態(tài)。

（四）地面站控制系統(tǒng)

地面站控制系統(tǒng)是通過無線鏈路與機(jī)載設(shè)備（指飛控設(shè)備）雙向通信，接收復(fù)合遙測數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制終端，接收控制終端的指令和數(shù)據(jù)并通過無線鏈路傳輸給機(jī)載設(shè)備等;控制終端的作用是從基站接收、處理和顯示遙測數(shù)據(jù)（實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)監(jiān)控以及視頻圖像顯示等），進(jìn)行飛行任務(wù)規(guī)劃等。

基于高精度數(shù)字三維地圖的地形環(huán)境設(shè)計(jì)航線，在飛行線路上自動(dòng)感知獲取障礙物坐標(biāo)信息，可實(shí)現(xiàn)低成本、常態(tài)化的森防火情巡查、應(yīng)急勘測、故障線路影像獲取等執(zhí)飛任務(wù)，具有快速進(jìn)行航線規(guī)劃、一鍵匹配航線高度，生成仿地飛行航線、多種線路坐標(biāo)格式導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。借助此功能，垂起無人機(jī)能夠適應(yīng)更多的地形，利用快速全局路徑搜索、路徑規(guī)劃和碰撞檢測算法，根據(jù)測區(qū)自動(dòng)生成變高航線，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)智能地形匹配飛行，保持地面分辨率一致，從而獲得更好的數(shù)據(jù)效果及飛行安全控制。

四、結(jié)語

通過視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)及ADS-B系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，無人機(jī)可具備全天候、全地形的全場景環(huán)境感知能力，繼而為危險(xiǎn)地形、障礙物的及時(shí)規(guī)避提供了足夠的時(shí)間，從而提高了飛行過程中的安全系數(shù)，共同保證垂起無人機(jī)在森防飛行過程中的執(zhí)飛與降落安全。

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