森防垂起无人机飞行过程中主动安全性技术研究

王培毅 伍刚 邢志斌

摘要：基于森防任务区域地势复杂、幅员辽阔等因素以及无人机飞行事故特点，文章提出通过自动避障、路径规划、ADS-B系统、仿地飞行等主动安全性设计，为后续森防无人机飞行过程中安全管理框架的构建奠定基础。

关键词：森防无人机;ADS-B;避障雷达;双目下视;仿地飞行

一、垂起无人机森防的场景应用

我国民用无人机产业在2016年产值已达到150亿元，近年来行业产值更是迅猛发展，其在抢险救灾、环境监测、航拍测绘、物流运输、农林植保、个人消费等诸多领域得到了广泛应用。作为新近崛起的潜力装备，无人机以其强大的功能和独特的应用价值收获了应急、森防、消防部门的高度青睐，2021年应急管理部科技和信息化司发布《应急管理综合行政执法装备配备标准（试行）》，在应急森防等综合管理配备表中，亦将无人机列入。

垂起无人机具备建造和使用成本低、地勤保障要求低、人员安全风险小等特点，同时其技术的不断创新，其品质、性能的不断提升，以及价格的趋于合理，使得垂起无人机在森防领域的应用变得愈来愈多，当前我国各地森防部门以此来加强日常巡查、火场侦查、空中通信、辅助救援等业务已成为常态。

无人机可搭载可见光视频图像和热成像视频图像吊舱荷载，配合AI林火识别算法，一方面，对重点防火区域每天进行常规巡查覆盖，充分响应“打早、打了”的防火目标，对于森林中的地下火或者茂密枝叶掩盖下的林火进行巡查预警，还可重点对人员进山、野外用火等情况进行巡查。另一方面，无人机能对火情态势从空中进行持续观察，使灭火指挥部门能够迅速有效地组织力量部署，提高灭火作战效率，减少救火人员的伤亡。

二、主动安全性技术概述

（一）安全性技术研究的必要性

随着无人机产业在各行业场景迅速发展，无人机事故发生造成的大量经济损失，严重威胁着公共安全和国家安全，引起了社会的广泛关注。从2006年无人机行业迅猛发展，无人机使用量激增，无人机的飞行事故总量逐渐上升，其后随着平台、飞控、航电、材料、工艺、结构件等技术发展，使无人机事故率保持稳定而略呈下降的总趋势。

无人机安全性能的提高，依赖于无人机系统各分项技术进步与整体管理水平的综合提高，是基于安全性完成分析、设计、验证等全过程管理技术相结合的结果。无人机的飞行事故除了受任务系统、任务规划与地面控制站、特定的起降设备和数据链路等多种自身飞行系统因素的影响，还会受到使用环境条件、执行任务等的影响。事故的主导因素常常并非单一因素，而是多种因素关联影响造成。

一般而言，无人机事故中最常见的原因之一便是駕驶员操作失误，根据数据统计人为操作因素约占到无人机事故总量的31%。具体到不同型号无人机则可能有差异，如美国RQ-7、RQ-5，人为因素的事故率分别占21%和47%。因此，在设计过程中针对确定的人为因素进行安全性设计，可以很大程度减少人为因素导致的事故。

（二）主动安全技术的范围

无人机整体的安全性包括结构安全性设计、电气安全性设计、原材料与元器件选用安全性管理、应急处理措施以及使用管理安全性控制等要求。其安全性设计与系统研制同步开展，同步设计，同步验证，一般包括：

1.无人机系统安全性设计应与产品功能、性能、预期使用环境等要素进行综合权衡，通过安全性分析，确定安全性设计方案，并进行相关设计验证;

2.无人机系统应设计相关的设备、程序或人机界面以应对可能出现的紧急情况;

3.应进行区域安全性分析或检查，对邻近系统、设备或部件的故障影响采取相应措施;

4.应对影响无人机系统安全的部位进行标识;

5.应按使用要求配置必要的检测和声光警告装置;

6.与安全有关的事项，应在使用维护相关技术资料中作出明显标识。

本研究则是在无人机系统中已集成搭载IMU、GPS、地磁等传感器成熟性技术方案的基础上，侧重通过加装自动避障、感知飞行器及三维仿地飞行等主动安全性设计，从感知障碍、绕过障碍、主动航线规避等多维度实现在垂起无人机飞行过程中的安全保障。

三、主动安全技术实现路线

（一）系统整体架构

在包含图传天线、数传天线、飞行控制系统、地面站系统、载荷、无线通信链路等通用组成部分外，本文设计的主动安全技术系统结构示意图如图1所示。

基于自动避障、仿地飞行等主动安全技术的无人机系统主要涉及机载分系统、飞行控制系统（简称飞控）、地面站控制系统、无线通信链路，其各部分的任务和联系如下：

机载分系统主要包括在飞行平台中搭载双目视觉系统、毫米波避障雷达系统、ADS-B系统，完成自动避障过程中障碍物感知的任务，通过感知外部飞行器、前方及下方障碍物等实时环境数据，并将数据提交飞控系统或通过无线通信链路进行数据回传。

地面站控制系统负责对采集到的图像信息进行分析，在发现威胁之后，及时发送指令给飞控系统;飞控系统收到指令之后，通过控制无人机的速度、航向等完成障碍规避。

无线通信链路则负责实现各子系统之间有关控制指令、回传数据的无线通信传输，对其他几个部分起到了通信桥梁的作用。

（二）机载分系统

1.分系统概述

机载分系统中搭载的视觉系统位于飞行器任务舱底部，由一组双目摄像机组成;毫米波雷达系统位于任务舱底部和前部，由毫米波测距传感器组成;搭载ADS-B系统可实时感知160公里范围内的飞行器，实现威胁预警。飞行器迫降时，视觉系统通过计算机视觉算法感知飞行器下方环境，实时检测障碍物的距离和轮廓，规避障碍物并自主选择良好的降落点。毫米波雷达系统通过测距感知飞行器前、下方障碍物，并实时自动规避。

2.毫米波雷达系统

毫米波雷达系统基于面向人机安全交互的智能避障技术。飞行平台外壳内部的前方及下方内侧分别安装有毫米波雷达传感器，承载外壳内部位于雷达传感器之间安装有控制模块。毫米波雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、方位、角度等信息。在起飞、飞行、降落各阶段实时感知障碍物，如检测到障碍物，无人机可立即改变飞行路径，保障飞行安全。

毫米波雷达避障系统通过毫米波雷达感知障碍物距离，然后通过避障模块进行判断，当满足设定条件时进行避障控制。避障模式分为前向避障和下向避障。其测距范围为0.5～240m;其波束宽度：方位面28°，俯仰面18°，因前视避障和后视避障安装方位差异，如图2所示：

3.双目视觉系统

双目视觉系统采用两个相同型号的CCD摄像头组合而成，搭载于无人机平台下方。通过双目摄像头视觉系统进行障碍物识别，对飞行过程中下方的障碍物进行检测，获取外部环境图像信息。双目相机采用全时期检测障碍物模式，其实际视场角：左右60°，前后40°;实际探测距离为50m。

当发现障碍物时，通过双目摄像机各获得一张障碍物的图像，利用视差原理、产生的立体视觉信息和视觉算法，以此获得障碍物的三维空间坐标计算值，进而可获得该障碍物的深度值，基于所获取到的深度值得到无人机与障碍物之间的距离。

若无人机降落时，当离地50m时开始自动进行降落點智能筛选、地形智能感知，当探测到屋顶、悬崖等降落地时实时规避，确保飞行器安全降落。

4.ADS-B系统

ADS-B系统是集通信与监视于一体的信息系统，是广播式自动相关监视系统（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）的简称，由信息源、信息传输通道和信息处理与显示三部分组成。它把冲突探测、冲突避免、冲突解决、ATC（空中交通管制，Air Traffic Control）监视和ATC一致性监视以及机舱综合信息显示有机地结合起来。配备有ADS-B的垂起无人机在飞行过程中，发现160公里范围内威胁预警，同时飞机通过调整高度或飞行方向的方式，实现自动规避，确保飞行安全。

机载电子设备包括GPS接收机、数据链收发机及其天线、驾驶舱冲突信息显示器CDTI，装配后不需要任何地面辅助设备即可完成相关功能。

（三）飞行控制系统

无人机飞控是无人机的大脑，是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。垂起无人机的飞行控制主要包括方向、副翼、升降、油门、襟翼等控制舵面，通过舵机改变飞机的翼面，产生相应的扭矩，控制飞机转弯、爬升、俯冲、横滚等动作。

各机载分系统模块间通过ROS消息（TCP）的通信模式，与飞控采用SPI通信方式（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）。飞控与地面站系统主要交付是一方面接收地面站的用户指令，另一方面向地面站回传航测或视觉数据。其与机载分系统交付主要是为机载分系统提供GPS信息、离线高层、飞行状态、各分系统开关指令、雷达测距指令等，同时接收各分系统的相机/系统状态、测距数据、视觉数据等，供飞控系统内部判断和控制无人机航线及飞行姿态。

（四）地面站控制系统

地面站控制系统是通过无线链路与机载设备（指飞控设备）双向通信，接收复合遥测数据并通过网络传输给控制终端，接收控制终端的指令和数据并通过无线链路传输给机载设备等;控制终端的作用是从基站接收、处理和显示遥测数据（实现飞行状态监控以及视频图像显示等），进行飞行任务规划等。

基于高精度数字三维地图的地形环境设计航线，在飞行线路上自动感知获取障碍物坐标信息，可实现低成本、常态化的森防火情巡查、应急勘测、故障线路影像获取等执飞任务，具有快速进行航线规划、一键匹配航线高度，生成仿地飞行航线、多种线路坐标格式导入导出等功能。借助此功能，垂起无人机能够适应更多的地形，利用快速全局路径搜索、路径规划和碰撞检测算法，根据测区自动生成变高航线，实现点对点智能地形匹配飞行，保持地面分辨率一致，从而获得更好的数据效果及飞行安全控制。

四、结语

通过视觉系统、毫米波雷达系统及ADS-B系统技术进行优势互补，无人机可具备全天候、全地形的全场景环境感知能力，继而为危险地形、障碍物的及时规避提供了足够的时间，从而提高了飞行过程中的安全系数，共同保证垂起无人机在森防飞行过程中的执飞与降落安全。

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