海上救助无人机设计、功能及应用

郑 州 张启行

一、前言

随着我国航海事业蓬勃发展，海上救助力量不断壮大，救助无人机以其快速性、高效率，必将成为未来海上救助的一大亮点，给海上人命救助带来更多的生存时间和机会。但目前无人机在救助方面只是停留在海上航拍搜寻取证阶段，如交通运输部北海救助局的海上航拍无人机（见图1），与实际人员救助转移功能的实现存在很大差距。无人机所处环境恶劣，并存在风险，所以对其性能要求极高，本文对无人机的相关技术进行分析。

图1 海上无人机训练实图

二、救助无人机系统设计分析

救助无人机硬件平台搭建可采用灵活的模块式嵌入，飞行结构一般主要由八个部分构成：电源单元、微控单元、姿态测量单元、高度测量单元、无线通信单元和执行器单元、救助监测单元、功能辅助单元。如图2所示。电源单元采用能量密度大的三元锂电池，可采购比亚迪公司的电池，并要求电池支持快充技术。救助监测单元包括救生缆机与360°云台摄像机。功能辅助单元有避障雷达、GPS、广播、温度传感器、湿度传感器、气囊释放装置等。目标姿态通过无人机的无线通信单元输入到微控单元，微控单元处理好的数据和命令传到执行模块单元，接着通过电机驱动单元把信号传递给电机，然后转到旋翼，旋翼的动作改变了无人机的飞行姿态，于是飞行姿态测量单元将相关信息传给飞控单元进行姿态反馈，以便对目标姿态矫正对比[1]，如图3所示。这样就构成一个闭环负反馈系统。

三、救助无人机的功能性设计分析

1.防水功能

图2 救助无人机系统硬件整体框图

图3 救助无人机控制系统示意图

救助无人机工作在海上，防水功能是第一要素。在目前的无人机应用中，有些产品的防水功能已经比较成熟。如航拍无人机斯威普水手3（见图4），其防水功能就比较先进。此款无人机不仅可以在水上起飞，还可以以任何姿态落水且不会沉没。且其重心结构设计优良，无论以任何姿态飞行，失控时都会以旋翼朝上的姿态降落在水里，以等待系统恢复重新起飞。建议以此无人机防水设计理念为基础，增配自动释放气囊装置。具体而言，当无人机在失控坠落入水前，可以人为遥控或者根据重力加速度感应装置自动在无人机底部释放气囊，从而使无人机坠落时直接落在气囊上。该气囊的浮力要求不仅能够支撑一个无人机的重量，还应能支撑1～2个成年人的重量，这样既可以避免救助过程中的二次伤害，还可以确保在救助过程中人员落水后可以攀爬到气囊上以待更进一步的救援。其原理设计可以参考飞船返回舱降落在海上的相关技术。

图4 斯威普水手3无人机

2.人员转移功能

目前，无人机载重方面的技术也比较成熟。在军事领域中，某国无人机可以搭载近500千克的导弹。挪威GRIFF公司推出一款无人机GRIFF300（见图5），其续航时间在30～45分钟，载重量达225千克，可以轻松地把2～3个成年人吊起飞行半个多小时。

图5 GRIFF300无人机

螺旋桨升力公式为

其中：ρ为当前大气密度，1 000米以下近似为1；d为螺旋桨的直径；p为螺旋桨的螺距；l为螺旋桨的宽度；n为螺旋桨的转速，与电机的转速有关；Cr为螺旋桨的升力系数[2]。假设螺旋桨的直径为1米,螺距为0.45米，螺旋桨宽度为0.1米，螺旋桨的转速为60转/秒，升力系数为0.25，由式（1）可得一个螺旋桨的静态升力为1×1×0.45×0.1×60×0.25=40.5千克。因此在理论上，设计四旋翼以上救助无人机的承载量为120千克是可行的。

对于救助无人机，人命救助能力是海上救助的核心能力之一。目前无人机在人命救助方面的功能还有巨大的应用发展潜力。救助无人机在承载能力达标的前提下，可设计具备投送救助缆绳和转移人员功能的放缆装置（见图6），这种放缆方式与救助直升机的绞车类似。可通过无人机测距然后人为遥控放缆，也可以自行一键放缆，无人机通过机载处理器计算出机身与甲板的高度后进行自动放缆，也可以通过调整自身的高度然后进行放缆以确保缆绳能与甲板接触。具体工作原理如下：当无人机在空中稳定悬停后，操作人员只要在遥控台上按下一键放缆，无人机接收到该信号后，就可以通过救助监测单元把自锁解开，即把固定液压杆向左抽出滚筒后，电机开始转动放缆，无人机可以根据自身的高度进行放缆长度限定，当缆绳的钩头挂上被救人员的身体后，固定液压杆向右伸进缆绳滚筒到右边插孔，右边的插孔液压杆接近传感器接收到液压杆固定自锁的信号后，把准备信号发给母船的操作台，以便操作人员对无人机进行返航飞行操作。当被救人员转到救助船上后，操作人员可进行收揽操作，在无人机接收到收揽操作信号后，无人机的固定液压杆又会向左抽出滚筒，然后电机旋转，进行收揽工作。这里的液压杆是为了固定缆绳滚筒在受重力的情况下不发生旋转，以确保被救人员的生命安全。

3.视频实时传输功能

救助无人机一项关键的技术是视频实时传输功能，这将为制订海上险情应急处置措施提供有力的参考依据。视频实时传输技术要求较高，主要是因为待传视频图像数据率高，而数据的相关性及压缩率极低，且信道复杂，因此要求图像压缩算法简单、易实现。同时，海上救助中区域电子环境复杂，电磁干扰严重，因此要求通信系统辐射功率低，频谱利用率高，系统设计简单、可靠、轻巧，尤其是机载部分。在信源编码上采用IWT和SPIHT编码算法，其算法压缩率高，可累进传输且对信道具有良好的抗噪性能和鲁棒性。传输体制采用级联RS-TCM和OFDM，频谱利用率高且不会因为介入噪声或干扰而使性能受损。最后在系统上利用频分复用技术，以提高抗多径、抗回波性能[3]。另外，航拍相机的技术要求也较高。一般海上夜间救助很多，因此摄像机最好具备红外摄像功能，在夜晚也能看清难船及遇险人员情况，尤其对于监测发生火灾船舶的热量分布情况非常实用。相关技术可以参考国内的大疆无人机。目前大疆公司研发的无人机Inspire 2（见图7），其图像传输距离为7千米，且其云台技术较为稳定可靠，可以满足海上救助航拍要求。

图7 大疆无人机Inspire 2

4.自动避障功能

自动避障功能[4]是救助无人机应该具备的功能。海上救助环境复杂，特别是当救助船舶发生火灾时，滚滚浓烟将影响摄像头的清晰度，甚至在浓烟中很难辨别方向，使无人机撞上船体，造成无人机受损。无人机避障传感器繁多，笔者建议采用雷达波传感器，因为雷达波受烟雾干扰较小，可安装在无人机的各个方向上，一般是机身的四周和上下部位。而且雷达波的另一个优势是可以对障碍物进行测距，以免螺旋桨碰到障碍物。

5.一键起降功能

无人机的起步飞行和方向控制一直是人工操作的难点，因此无人机操作人员需进行相关培训。如今智能化操作技术可以解决此项难题。现在的无人机可以进行一键起降，如大疆无人机Inspire 2，该无人机通过姿态控制和相关算法，可以实现“定高度”的起飞和空中悬停。这样便可以增强无人机的操作便捷性，人员只需了解设备功能性操作便可自行操作。

6.自动返航功能

无人机还需增加自动返航功能，该功能可以在需要紧急撤离时、无人机低电量和无线信号失传等情况下应用。这一智能化功能已经相对成熟，通过3D成像扫描和记录轨迹来实现[5]。一般智能化程度较高的无人机都具备此功能，可为海上救援增加便利性。

7.定点跟踪巡航功能

该功能作用是通过对目标的锁定进行360°的自动跟踪航拍，这样不仅可以减少人为误操作和人力投入，而且航拍的视频更稳定清晰[6]。该技术也可以参考大疆无人机Inspire 2。

8.电池低电量提示和无人机语音通话广播功能

电池低电量提示为无人机的基本功能，并需附上可续航里程和时间。可设置在电量低于20%时进行提示是否自动返航，或在电量低至10%时自动强行返航。该功能可以结合上述第六点功能。语音通话广播功能是指母船可以通过WiFi对难船进行交流以便了解难船情况，也可以对难船发出广播，以安抚难船的人员。该技术可以结合前面的视频直播功能。

四、救助无人机的应用分析

1.搜救定位

搜救定位是无人机的基本功能。无人机自带的全景相机和红外感应可实现夜间搜寻，还可通过自带的GPS和北斗导航，对搜救的船舶和人员进行目标锁定，并通过无线信号把三维的目标位置发给救助船舶和指挥中心。

2.物资转运

物资转运是救助无人机的必备功能。该功能源于无人机的载重能力，而且如上所述救助无人机可以实现120千克的载重能力。且对承载的货物品种无任何要求，如水、粮食、医药用品等，大大提高了被救人员的存活率。

3.人员转移

在必要的条件下可以对人员进行快速转移，且对被救人员要求较低。被救人员只需要身穿救生衣或使用腰带，把无人机缆绳的挂钩挂到自己的救生衣或腰带上就可以进行。除了可以对难船的人员进行转移，也可以对落水人员进行救助转移。此外，救助无人机可以对难船放缆位置做出及时调整，方便被救人员上钩，转移人员速度快，大大提高了救助效率，缩短了救助时间。

4.缆绳拖带

目前船舶相互拖带主要采用传统的人工抛缆方式，这要求抛缆的水手臂力强劲且抛缆技术过硬。因为抛缆易受天气影响，如果海上存在大风，就很难准确地把缆绳抛到对方船舶上，因而会耽误海上救援。此时可以利用救助无人机带缆到对方船舶上，在第一时间对难船进行拖带救助，避免造成不必要的损失。

5.对难船实时跟踪报道

跟踪报道的应用源于救助无人机定点跟踪巡航功能和无线视频实时传输技术。无人机可以对难船进行360°全景录像并且同步传输，以便救助指挥人员全面查看事故海域的难船情况，快速制订救援方案，为救援争取有利时机。

6.与难船人员进行实时沟通

当难船通信设备故障与救助船舶失去联系时，救助无人机可以当做视频电话用。利用无人机可以与难船保持沟通，了解难船人员物资等情况，并及时拍摄记录事故船舶的状况。救助无人机还可以搭载广播功能，在救援现场起到安抚被救人员情绪的作用，以达到高效的救援效果。

五、救助无人机的海上应急救助效能

1.保障救助人员生命安全

救助无人机为空中机器人，在某些情况下可以替代救助人员，特别是在高危海域或不适合人员出动的情况下，如发生火灾的油轮、溢油海面、悬崖、沙漠、沼泽地等。救助无人机可以实现快速的空对地救援，大大保障了救助人员的生命安全，降低了救助成本。

2.扩大搜救范围和减少搜救时间

救助无人机结合救助船舶实现海空一体化救援，可以有效扩大救助半径。救助无人机一般设计均速为5米/秒，续航时间为30分钟，续航里程为9 000米。以救助船舶为初始点，可以为一定范围内的搜寻救助工作提供强有力支持。且救助无人机的结构相对简单，质量相对轻便，配合救助船舶使用，将使搜救距离缩短一半以上。在我国每个固定海域就有一艘救助船舶抛锚在海上时刻等待救援任务。以我国北部海域为例，有12艘救助船舶分布在各个事故多发的海域，特别是高危海域附近都布有救助船舶时刻动态待命。当海上发生事故，附近的救助船舶可以立即出发救援，同时结合救助无人机在可飞行范围内，可以提前勘察情况，把救援距离缩小到十几海里甚至是几海里，这将大大降低救助成本消耗，同时缩短救助时间。

3.降低救助的经济成本

传统的海上救助方式一般是直升机或者救助船舶去往救助海域。以救助直升机而言，每出动一次救援，单论燃油消耗就是一笔极大的资金投入，载人数量为5人的小型直升机一小时的耗油量约为3 000元，如难船出事地距离岸边几十海里，直升机从陆地出发来回平均时间为3个小时，其燃油费高达上万元[7]。而无人机只需要对其进行充电，消耗的是成本低廉的电能。参照新能源汽车可知，以比亚迪公司的纯电动汽车元EV为例，该汽车电池容量为42千瓦小时，其续航里程达305千米。

六、救助无人机研发的技术难点分析

1.抗风浪能力

海上环境恶劣，一般在海难发生时会伴随着大风大浪，因此救助无人机的稳定性要求须比一般陆地上的飞行器高，而且海上的风向是随时可变的，这就需要无人机姿态控制算法快速精确，能及时感知自身摆动角度，并作出及时矫正，具体设计还需要通过实际的测试来进行评估。

2.电池续航能力

海上救援时间紧迫，要求无人机有足够的电能支撑，因此对无人机的续航能力要求较高，这就需要能量密度大且稳定性好的锂电池。根据以往的救助经验，要求无人机在满载且最大的水平飞行速度情况下续航时间至少为30分钟，而且这只是一套电池续航能力。在电池设计方面，可以增加电池快速更换和快充功能。具体而言，当第一套电池电量低时，可以快速更换第二套电池，而且要求在第二套电池即将用尽时，第一套电池充电量要达到80%以上。该技术可以参考纯电动汽车。

3.载重飞行能力

目前市面上的无人机大都是用作航拍，体积小，重量轻。而救助无人机则需要救人或携带投送引缆，载重能力至少在120千克以上，也就是在风浪天至少能够搭载1～2个成年人。这要求无人机旋翼电机输出扭矩大，转速高，螺旋桨刚性也要强。因此在材料的选择上应充分考虑。

七、结论

综上所述，救助无人机应用前景广阔，潜力巨大。随着相关技术的不断成熟和产品结构的不断完善，以及无人机在民用领域的不断深入拓展，文中所述救助无人机的技术难点必然可以攻克，相关功能的实现指日可待。