多旋翼无人机在救援领域的应用与发展

黄莹 尹文龙

引言

多旋翼无人机，顾名思义即使用多个旋翼来克服自身重力的无人飞行装置。相较于传统的固定翼无人机、无人直升机，多旋翼无人机具有操作简单、成本低廉、维护方便、悬停稳定性好、环境适应性强等诸多优点[1]，近十年来，其发展可谓日新月异，应用范围已逐渐延伸至农业、安防、电力、测绘等领域。时下，多旋翼无人机的行业应用探索俨然已成为许多行业发展的重要课题，许多新技术和经验，值得救灾领域借鉴学习。

作为世界上遭受自然灾害侵袭最为严重的国家之一，建国以来，我国平均每年因自然灾害造成的直接经济损失在千亿元人民币以上，年均受灾人口超过2亿人次[2]，因此研发先进可靠的救灾设备刻不容缓。而多旋翼无人机，作为一种便捷、可靠、扩展性极强的短程空中平台，搭载适当的载荷设备，将在救援指挥、通信中继、物资设备投放等救灾工作中发挥巨大的作用。

1多旋翼无人机现阶段发展状况

随着应用范围的逐渐拓宽，多旋翼无人机现如今正呈现出专用化的发展趋势，不断强化自身的某项特定指标，以尽可能贴合目标行业的实际需要。

在安防、测绘等以航拍为主的应用领域，航时一直是一项十分重要指标，更长的留空时间往往意味着更高的信息采集效率。在市场需求的引领下，效率型无刷电机以及专用的载荷设备正不断更新换代，多旋翼无人机的航时也因此而稳步提升。目前，廉价的消费级无人机在低海拔环境下的航时已普遍在25～30分钟左右，部分工业级无人机的航时则能达到50～60分钟，足以满足绝大多数情况下的使用需求。

图1 多旋翼在电力、农业、安防等领域的应用

在农业领域，多旋翼无人机植保已成为一个发展迅速的新兴产业[3]。为了提高作业效率，使一个飞行架次尽可能多的播种或喷洒农药，农用多旋翼无人机通常更看重自身的带载能力。使用动力型无刷电机配合宽大的旋翼，动力充沛的农用多旋翼无人机普遍具有10kg以上的负载能力，载荷与平台的自重近乎相等。鉴于该行业发展尚处于起步阶段，相信带载15kg甚至20kg的产品亦将会很快问世，填补产业空白。

在电力行业则是当下对多旋翼无人机应用探索最为积极的行业。为了满足电力行业对作业安全性和精准性的需求，

多旋翼无人机普遍引入了FPV（First Person View）系统，将叠加有无人机的状态信息的实时视频信息回传给地面控制人员，以弱化视觉偏差问题带来的困扰。目前，多旋翼无人机在输电线路日常巡检、施工现场勘测、故障点排查等方面已经取得了广泛的应用；在线缆辅助架设、线路数据测量等方面亦有许多成功案例；在挂线异物处置、绝缘设施检测等方面也取得了一些阶段性的实验成果[4]。

为了尽可能高地延长留空时长，有人对多旋翼无人机的动力系统进行了颠覆性的改造，开发出了用发电机和系留电缆代替动力电池供电的飞行平台——系留多旋翼无人机[5]。系留电缆提供了持续的能源供给，代价是限制了无人机的活动空间，使其只能在固定或车载发电机的上方悬停。

图2 航空环境公司开发的Tether Eye系统

2多旋翼无人机在救援工作中的应用方案

2.1 多旋翼无人机与救援指挥

自多旋翼无人机诞生以来，航拍一直是其最传统，也是技术最成熟的应用领域。在救援过程中，搭载了适当的光学传感器（可见光摄像机、红外热像仪等）和图像传输设备，多旋翼无人机能从空中提供一个全天候的全局性视角，其采集的影像信息，可根据现场条件及实际需要，经由应急局域网、卫星通信指挥车[6]、4G无线网络等途径，实时传送给各级指挥部，为决策者提供详尽准确的现场信息，以规避救援过程中的风险，提高指挥效率。

此外，随着测绘领域倾斜摄影技术的快速发展，3D建模技术正日趋完善，使用多旋翼无人机搭载多拼相机采集灾区的影像资料，再配合无人机的飞行数据进行适当的后期处理，即可快速地生成目标区域的3D模型[7]，这将为救援方案的制定提供有价值的参考。

2.2 多旋翼无人机与通信中继

在许多抢险救灾工作中，抢险队伍常会因应公共通信网络瘫痪，卫星通信系统饱和等问题而与后方指挥保障系统失联，致使救援工作进展缓慢甚至受阻。此时，使用系留多旋翼无人机搭载通信中继设备构建应急局域网，将有效缓解通信系统的压力。充足的化学燃料储备可以支持多旋翼无人机数十小时的留空，确保应急局域网的稳定。

目前，由美国打击恐怖主义技术支持办公室（CTTSO）出资支持，航空环境公司（AeroVironment）研制生产的新型系留多旋翼无人机系统Tether Eye已经进入评估测试阶段。该系统完成了系留多旋翼无人机、发电机、全自动起降平台的集成工作，具备快速部署能力，具备昼夜视频采集功能，也适用于与其他平台的通信中继的工作。

类似的设备在救援工作中有广泛的应用前景，既可以由救援队携带，在必要时迅速布设以缓解通信压力，亦可以提前存储于人防设施等相对可靠的位置，在基础通信设施受损后紧急启用，形成应急响应机制。

2.3 多旋翼无人机与物资设备投放

2.3.1 救援物资投放

向落水群众投放救生圈，向孤岛被困群众投放食物和药品，向救援队员投放急需的器材设备，类似的高精度低空物资投放任务在抢险救灾工作中时常会发生。多旋翼无人机具有操作简单，悬停稳定，响应迅速等优点，十分适合解决此类问题。近期许多抗洪抢险演练都增设了多旋翼无人机物资投放环节，演习效果令人满意。

2.3.2 救援设备投放

为了降低救援风险，丰富救援手段，国内外许多研究机构正积极致力于救援机器人的研发工作。美国南弗罗里达大学研制的Simbot搜索机器人，小巧灵活，能够携带低照度摄像机和气体检测组件深入狭小崎岖的坑洞环境，搜寻幸存者，检测气体成分，甚至生成地图[8]。日本东京工业大学，美国的卡耐基梅隆大学，国内的沈阳自动化研究所等单位也都曾研发出各自的蛇形仿生机器人，这种机器人运动稳定性好，环境适应性强，十分适合应用于救援工作[9]。

小巧的结构尺寸能够增加环境适应性，但相应的也会削减能源储量，这意味着救援机器人的工作时间和范围都十分有限。使用多旋翼无人机来投送甚至回收救援机器人不失为一种行之有效的解决方案。从空中迅速接近搜救点并完成设备投放，能最大化地节约救援机器人的能源，扩大搜索范围，提高救援效率。

3多旋翼无人机在实际救援中的应用案例

图3 日本工业大学的蛇形机器人Snake Robot ACM-R5

在实际应急救援中，有不少多旋翼无人机成功参与的案例。

2019年6月17日22时，四川省宜宾市长宁县发生6.0级地震，派出大疆多款无人机完成快速侦查与实时建图建模，评估灾害和提供救援方案，协助搜救，保障救援人员安全。

图4 大疆多旋翼无人机在长宁地震现场辅助救援

2018年10月7日，一名男子独自走入塔克拉玛干沙漠内，随即迷失方向，同行的伙伴立即向公安局报警。由于沙漠区域面积广大，民警派出多旋翼无人机进行寻找，最终在距离沙漠公路约2公里的地方找到了该男子，随后，民警让无人机“引路”将该男子从沙漠中顺利带出。

图5 民警操作无人机寻找沙漠中的迷失男子

2015年12月20日深圳光明新区渣土受纳场发生滑坡事故，由于当时山体滑坡面积比较大，为现场救援增添了难度。多旋翼无人机在21至23日的黄金72小时救援中，每天以150米高度，通过对现场374个航点精确拍摄，制作现场高精度三维立体图像，为搜救工作提供了重要参考。

图6 多旋翼无人机参与12·20深圳光明新区渣土收纳场滑坡事故救援

2015年11月08日下午14时58分，突降的暴雨使得河流水位增高，广西桂林临桂区五通镇艳滩村一在建大桥项目部的14名工作人员没能及时撤离，被困在了在建的桥墩上。因水位上升很快，水流湍急，水底地形复杂，无法立即施救。14人被困至傍晚18时，又饿又冷，临桂消防中队用负载不超过2公斤的多旋翼无人机，分六次将食物和衣物送到了被困人员的手中。水位于晚上22时20分开始下降，消防官兵立即展开施救，将14名被困人员成功送至安全区域。

2014年8月3日云南鲁甸发生地震后，武警部队在地震灾害救援中，首次使用无人机快速三维建模技术，实现了地质灾害信息第一时间三维可视化。这也是我国首次将无人机快速三维建模技术应用于地质灾害应急救援。

4结论

多旋翼无人机，作为一种新兴的便捷、可靠、扩展性极强的短程空中平台，已在许多领域建立起成功的应用模式。在灾害救援领域，多旋翼无人机有巨大的应用潜力，但相关的研究及实践均处于起步阶段，应用方式简单单一，成效有限。借鉴学习其在各个领域的应用模式和发展经验，并结合救援工作的实际需求，积极发展救援专用载荷，探究可行的应用体制机制，多旋翼无人机也势必将在灾害救援工作中发挥巨大的作用。