Abstract: City high-altitude fire emergency UAV system, is a number of advantages of the fire emergency system. The system has a flexible, low on-site environment requirements, simple operation and the advantages of many small advantages.

Key words: UAV   High-level fire   Emergency response

【中图分类号】U664.88 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）01-0000-00

1 引言

无人机在消防领域的应用起步比较晚，很多功能处于探索阶段，目前仅有部分经济发达地区的省总队或支队级购置了无人机，抽选了专业人员力量组建无人机分队。

在扑救高层建筑火灾时，指战员通常会使用登高平台车实施救援，但在实战中经常会遇到登高平台车因火势大无法靠近火场，操作升降缓慢，影响救援速度，特别是被困人员多登高平台车无法一次容纳等实际情况，这些都给救援工作带来难度，救援不及时必将导致大量人员伤亡。无人机的应用缓解了这些难题。在无人机上搭载生命探测仪和 GPS 全球定位系统，感知和获取被困人员的具体位置，将救生引导绳悬挂于无人机底部挂钩上，通过地面站消防员人工操纵将救生引导绳运送给被困人员，被困人员利用救生引导绳获取软梯等救生器材，从而开展自救。

在处置大型灾害事故或公共突发事件中，以无人机为载体，将无人机集成扩音模块后，消防员能利用无人机实现空中呼喊或者传达指令，而各项信息的有效传达不仅能调遣消防部队各类人员对重点区域执行任务，还能对被困人员发出逃生疏散和自救他救语音指导提示，远程协助被困人员逃生，甚至在灾害现场可能会发生爆炸、坍塌、下沉等情况时能及时通知消防员撤离危险区域。

在山岳、水域救援等灾情处置中，灾害事故地点一般处于特殊复杂地段，消防员不能第一时间与被困人员沟通对话，救援设备的精准度、射程等收到极大的的制约。消防员可以借助无人机体形小、起降要求低等优势，将无线手台、救生衣(绳)、简易呼吸罩、急救药品等轻型物资投送到指定区域，帮助被困人员进行自救或快速逃离现场。

现有的消防无人机造价昂贵。在国内，大部分消防无人机都是一次性的，在一次救火任务结束后往往无法回收，成本极其巨大，携带设备单一，无法适应突发的多种火情，现场局限性较大；而且自动化程度不高，现场智能性不足。

在国外，以俄罗斯的电缆遥控消防无人机为例，确实有不少优点，但仍有一些缺点或局限性，如增加无人机的荷载，容易被一些户外电缆、室外广告等高空物体缠绕或阻挡，也容易受到风力、风向等因素影响。无法起到很好的消防搜救效果。

本文提出的系统主要在于将无人机应用于消防救援活动中。通过无人机灵巧的特点，在灾情发生后，迅速的到达火灾处进行影像的实时传送，将现场的火灾情况通过无线发射器发送到接收器中，然后由消防员根据显示屏中画面拟定解决方案。同时，由主无人机所携带的子无人机将用于生命探测、对燃烧物质的化学分析、火灾的等级扫描以及对火灾的压制。在主无人机进入火灾现场后，各类子无人机可自我控制分别实施自己的性能。生命探测的子无人机可在火灾现场进行生命探测，以求最大的可能保证人们的生命安全。对燃烧物质进行化学分析、火灾等级的描述的子无人机应用内部程序将现场火源进行分析并实时传送至接收器后，由消防员控制用来压制火源的子无人机采取相应措施对火情进行压制。

2 无人机系统分析

2.1 主无人机的无线传输、接收以及抗干扰能力

在火灾现场，通常会出现电器等一系列磁场干扰，那么主无人机上的无线传输以及接收都会受到影响，会在执行操作时产生很大的问题，那么，我们采用ARPC自抗扰技术，通过测试、分析将其应用于无人机上。可以在有磁场的地方，使无人机的控制不会受到干扰。

2.2 子无人机的控制

本无人机是以主无人机携带较多子无人机所构成，为了使各无人机可较简便，迅速应用于火灾发生现场，于是，我们需要采用模糊控制应用于本操作系统中，在火灾发生情况下，可简便的将其应用与无人机中。

2.3 母、子无人机的配置

本无人机是由主无人机携带多个子无人机构成，每个子无人机的应用各部相同。

(1)主无人机：主要用于携带子无人机，同时在主无人机上安置喷水设施，在火灾发生时可以360度的进行喷水降低温度。在主无人机上还要安置摄像头以进行对火灾现场的情况是实时传输于接收器，使消防员可以在安全环境很快了解火灾现场，

(2)子无人机一号：通过测试、调控将生命探测仪安置于其中，目的在于探测生命，保证人们的生命安全，有利于消防员以最近的距离解救被困者，提升被救者的存活率。在无人机各轴上配备小型消防器材，在进行生命探测过程中，可对机体四周进行火势压制，以尽可能保护被救者免受火情伤害。

(3)子无人机二号：装置灾情扫描仪，在火灾发生后，对火灾情况进行扫描得到火灾的燃烧等级，实时反馈于接收器，有利于消防员对火灾救援的安排。在无人机各轴上配备小型消防器材，在进行灾情勘探过程中，可对机体四周进行火势压制，以尽可能保护机体受到高温影响较小

(4)子无人机三号：装配各种化学物质，在火灾现场，向火场释放化学物质，起到对火灾的压制效果，以降低火情等级，为救援提供最大效用。

2.4 母、子无人机与控制台之间的通讯

由母无人机通过地面控制台发出信号携带子无人机到达火场，之后再发出信号使母无人机释放子无人机进行火情勘测及人员搜救。子无人机将火场情况反馈到地面控制台，由地面控制台进行决策使母无人机释放携带适合的消防器材的子无人机，以达到灭火的效果。

2.5 无人机的材料使用

由于无人机需要携带的设备较多且无人机主要应用于火灾现场，因而我们需要对无人机的使用材料进行选择。需要经过研究，测试，分析选择出一款轻便程度强，防火性能高的材料作为无人机的制作材料，同时又要考虑造价的问题，因而我们需要多方面，多角度考虑材料的使用种类。

2.6 无人机的动力供应

作为消防无人机，在作业过程处于高温情况，现有的燃料电池在此条件下容易发生爆炸，同时若使用如石油，汽油等燃料的物质会在高温状况下发生燃烧造成二次伤害，因而我们需要一种耐火耐高温的蓄电池在无人机使用过程中，做到可提供长久的能源与动力支持，并不会在现场因为环境问题使其失去作用，在高温状态下不会受到巨大的影响，且可以保持无人机能源供应的稳定。在工作过程中采用无人机悬停无线充电技术实现续航时间的最大化。

2.7 五轴无人机作为子机

包括控制电路组件、5组桨臂组件、摄影组件、保护组件及机身，所述桨组件围绕所述机身的周向设置；所述桨臂组件包括支撑臂、旋翼及与所述控制电路组件电连接的电机，各所述桨臂的一端与所述机身铰接，末端分别所述采取旋翼组合。五轴机结构如图1所示。

2.8 九轴无人机作为母机

包括控制电路组件、9组桨臂组件、多功能搭载组件及机身，所述桨组件围绕所述机身的周向设置，可以搭载红外线热像仪、消防设备等各种组件来达到各方面的要求，以及独创的九轴结构，使其飞行更稳定，且具有更大的升力。九轴机结构如图2所示。

2.9 无人机悬停无线充电技术

无线电能传输技术应用到无人机充电技术上，提出基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术，设计了基于磁共振方式的无人机悬停无线充电电路，并且为了降低耦合机构的功率损耗，提高整个电路系统的功率传输能力，提出了基于动态调谐的恒频控制方法。

本文的主要研究工作有以下五个方面。

(1)无人机的续航能力受限于蓄电池性能和传统充电方法的现状，简要介绍了目前应用

于无人机的充电技术的研究现状，提出基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术。

(2)对目前几种主流的无线电能传输技术进行了简要介绍和比较，并详细阐述了用于分

析近场耦合无线电能传输技术的互感耦合理论。在此基础上，分析了应用于无人机悬停无线充电的无线电能传输系统表现出来的特征：弱耦合、动态互感和动态负载。

(3)从耦合机构拓扑出发，就在弱耦合条件下如何进行高效地无线电能传输展开了研究，提出采用基于磁共振技术的无线电能传输系统，并建立了采用PSSS耦合拓扑结构的系统功率传输模型，在此基础上针对动态互感和动态负载的情况，对系统的功率传输特性进行了分析和优化。

(4)为了解决在恒频工作模式下系统发射线圈谐振网络会由于互感和负载的变化而失谐的问题，提出采用基于相控电感动态调谐的恒频控制策略，并详细阐述了通过相控电感调谐的工作原理、调谐支路参数设计方法以及恒频控制方法的实现方式，最后通过搭建系统模型进行仿真研究。

(5)搭建硬件实验平台，通过实验结果对本文所提出的技术方案进行研究。

3 机载火场勘探技术分析

火灾调查过程中。消防人员调查火灾原因，大概分三个步骤，第一是确定起火位置，第二是确定起火物，第三是确定起火点。确定起火位置大体是这样的，一是询问现场证人，包括参与灭火的消防队员；二是根据燃烧痕迹、建筑物倒塌情况进行推断；三是做实验，火源位置一般会有一些特殊改变，比如汽油引起的火灾，在水泥地面上会留下燃烧特征，可以测试水泥的坚固程度或者弹力；四是通过找到起火物，来推断火源位置，起火总得有引起燃烧的物质和能量存在，这些东西一旦找到，就可以进行科学判断。而本高空无人机消防系统配备了红外线热成像仪、顺磁式氧分析仪等技术设备可以起到代替消防员查找起火物、判断火源位置的作用。

3.1 红外线热成像

红外线热成像：物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到1000μm间的电磁波称为“红外线”，而人类视觉可见的“可见光”介于0.4μm到0.75μm。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。红外线在地表传送时，会受到大气组成物质(特别是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μ~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率(Transmission)，通称大气窗口(Atmospheric window)，大部份的红外热像仪就是针对这两个波段进行检测，计算并显示物体的表面温度分布。此外，由于红外线对极大部份的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主。

3.2 顺磁式氧分析仪

顺磁式氧分析仪：根据氧气的体积磁化率比一般气体高得多，在磁场中具有极高的顺磁特性的原理制成的一种测量气体中含氧量的分析仪器。顺磁式氧分析仪，也可叫做磁效应式氧分析仪、或磁式氧分析仪，我们通常通称为磁氧分析仪。任何物质在外界磁场的作用下都会被磁化，呈现出一定的磁特性。物质在外加磁场中被磁化，其本身就会产生一个附加磁场，附加磁场与外磁场方向相同时，该物质就被外磁场吸引；附加磁场与外磁场方向相反时，则被磁场排斥。因此，我们通常会将被外磁场吸引的物质称为顺磁性物质，或者说该物质具有顺磁性；而把被磁场排斥的物质称为逆磁性物质，或者说该物质具有逆磁性。气体介质处于磁场中也会被磁化，我们根据气体组分对磁场的吸引和排斥的不同，也将气体分为顺磁性和逆磁性。顺磁性气体有：O2、NO、NO2等；逆磁性气体有：H2、N2、CO2、CH4等。磁性氧气传感器是磁性氧气分析仪的核心，但是目前也已经实现了“传感器化”进程。这种传感器只能用于氧气的检测，选择性极好。大气环境中只有氮氧化物能够产生微小的影响，但是由于这些干扰气体的含量往往很少，所以，磁氧分析技术的选择性几乎是唯一的。

4 结束语

城市高空消防应急无人机系统，是一款具有众多优势的消防应急系统。本系统具有机动灵活、对现场环境要求低、操作简单和危险性小等众多优点。同时本系统的创新性的采用子母系统，满足了环境复杂多样的需求，其具有了较高的社会使用价值和经济价值。

参考文献

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作者简介

郑卫刚 （1967-） 男 工学学士 技师 研究方向：机电工程领域