基于无人机的消防灭火系统设计

摘要：人类社会的进步，使火灾变得更加频繁且越来越复杂，随着这些年无人机技术的发展，将无人机技术融入消防灭火逐渐变成必然。消防救援采用无人机主要有以下几点原因：一、对火场及火场周围环境信息十分匮乏，现阶段我们收集信息主要是通过周围知情人及目击者的口述，加上救援人员的经验，来推断得出起火原因等。这些信息的准确性，可用性不高会导致不能准确地得出正确结论，影响救援工作进行，甚至还会对救援者和被救援者的生命构成威胁。二、无人机采集信息和进行救援成本更低，不会造救援人员的生命威胁，反而通过分析无人机采集到的信息来制定合适的救援计划。

一、系统总体方案设计

无人机采用的是多旋翼无人机，多旋翼无人机是由三个及三个以上旋翼提供全方位空间动力，可实现垂直起降的无人驾驶飞行器。采用这种无人机的原因是：首先多旋翼无人机飞行稳定且可在空中实现悬停，转向等多种动作可完成所需的飞行任务，根据实验结果表明6 旋翼或8 旋翼无人机在
被破坏1 到2 个机翼时可以正常飞行，更加符合我们救援的实际需求；其次多旋翼无人机是垂直起降，不受场合限制机动灵活；再次多旋翼无人机操作简单，泛用性强；最后就是多旋翼无人机的零件可替换性高，我们可以更具不同的救援需求、不同的救援环境给无人机搭载不同的救援模块。

无人机整体是由飞机机体、飞控系统、能源系统及救援模块等多个部分组成。
无人机的动力来源分为电动和燃油两种，由于我们的目的环境是高温燃烧环境，考虑到无人机自身温度及有可能发生坠落事件形成二次事故。我们采用电动驱动。

二、飞控系统设计

飞行控制电路是一架无人机进行工作的核心，指挥无人机完成起飞、降落、转向、悬停等动作的必备部分。我们采用的是能够支持多轴多旋翼的APM 开源飞控方案，Atmega2560 作为MCU 为APM 的控制核心，PPM 解码芯片采用Atmega168 监视模式通道，来实现手动模式和自动模式的快速切换。惯性模块采用单轴双轴和多轴加速计综合组成，通过测量三个加速计的数据进行分析综合得出无人机的实施飞行姿态。除此之外还有导航模块，压力计和磁力计等信息采集模块，提供信息给MCU 进行计算。其中APM 对无刷电机的控制采用PID 控制，通过导航级PID 控制无人机在给定速度下的高度来计算俯仰角、横滚角和油门，控制级PID 根据导航级PID 的数据分析出无人机当前的飞行姿态，据此将控制量转换为PWM 输入到电调对无刷电机进行控制，进而实现对无人机的俯仰角、横滚角和油门的控制。

三、无人机机体结构设计

无人机的基体结构可以采用共轴双旋翼无人机，就是在一个轴上装两个转动方向相反的桨叶，同轴上的两个电机相反连接，且调整下方的升力略小于上方。虽然这样会在一定程度上影响无人机的灵活性，但是在不改变无人机大小和规模的情况下共轴双旋翼将会提供多近一倍的升力。对于有消防灭火特种工作需要的无人机的非常良好的选择。

四、救援模块设计

人类文明发展到今天，随着社会的发展，世界环境的复杂多变，也对我们灭火救援工作提出的多种多样的要求。为此我们的消防无人机也需要适应不同情况。适应我们的消防无人机的救援模块采用可拆卸可替换的模块化设计，这一设计大大提高了消防无人机的可用性和可用情况，还在一定程度上减轻了无人机的载重，提高了无人机的灵活性。根据不同的火灾情况我们设计了森林火灾模块、化学品火灾模块、城市消防救援模块。
森林火灾模块主要分为三部分，分别是灭火装置、探测装置和辅助救援装置。首先是灭火装置由于是用于森林救火，起火区域绝大多数情况下为没有人类活动的无人区，因此可以采用高效的灭火弹。此装置由控制装置、发射器、储弹匣、摄像头和瞄准器组成。这种灭火弹效率高、范围大非常适用于森林火灾。
其次是探测装置，探测装置主要由测量仪器、采集仪器和分析仪器组成，包括温度传感器、气压传感器、热成像摄像头、夜视仪、气体成分分析装置以及高清摄像头。此装置的主要目的你是通过无人机来采集火场信息，详细火场情况，找出起火点，起火原因，是否适宜救援人员进入，据此制定救援方案，在完成救援工作的情况下，最大程度上的减少人力物力消耗，并保证救援人员的生命安全。
最后是辅助救援装置，在火场中有被困人员，且救援人员暂时无法立即进行解救或是不知道是否还有被困人员的情况下，辅助救援装置就能发挥巨大作用。辅助救援装置包括耐高温储物箱、高分贝扬声器、强光探照灯等。可以进行人员搜救，人员疏导，安抚被困人员情绪、为救援人员送去食物、水和呼吸面具等救命物资。
化学品火灾模块：在化学工业发展普遍的当今社会，化学品火灾的发生不再是一种稀有现象，他们的起火原因或许不都与化学品有关，但是由于化学品燃烧可能发生预料之外的化学反应发生爆照或是产生有毒气体。因此化学品火灾的救援一直是救援工作中的一大难点，因此无人机的存在就能攻克这一难点。灭火装置采用喷洒装置，可以根据不同的化学用品起火来选择喷洒不同的试剂来达到灭火的目的。探测救援装置和辅助救援装置跟森林火灾模块采用相同的配置。
城市消防救援模块：在城市消防救援的过程中，无人机也可以发挥很大作用，比如说在高层建筑普遍的当今社会，高层火情的救援条件对于传统救援方式来说有些苛刻。此时无人机就可以派上用场。
灭火装置由干粉灭火弹及破窗器组成。可以完成破窗救援及定向灭火的任务。辅助救援装置中除了原有装备还添加了实施语音通话的功能，不仅可以安抚被困人员的情绪还可以结合现场具体情况指挥被困人员采用正确方式自救。

结束语

随着当今社会科技的进步，无人机技术的发展，以及5G 时代的来临，加之当今时代人群居住越来越密集化，救援情况越来越复杂化，无人机技术用于消防救援逐渐从一种可能变成一种必须。消防无人机的出现不仅为现今火灾的救援提供了更好更方便代价更低的方案，而且能最大程度上的减少救援人员的伤亡率，为零伤亡救援迈出了一大步。人类文明伴随着火焰而诞生，文明也伴随着火向前发展，完成对化验的控制则是文明继续前进的必经之路。