基于视觉定位的森林火灾防控一体化飞行平台

摘 要：本团队设计出一套基于视觉定位的森林火灾防控一体化飞行平台。平台包括梯形机翼、倒V型尾翼设计的固定翼垂直起降无人机、新型灭火弹和森林火点定位系统，可有效识别、定位、打击早期森林火情。

关键词：森林火灾防控；无人机；视觉定位；卷积神经网络

1 作品介绍

本团队设计了基于视觉定位的森林火灾防控一体化飞行平台。其中包括梯形机翼、倒V型尾翼设计的固定翼垂直起降无人机、新型灭火弹和森林火点定位系统，可有效识别、定位、打击早期森林火情。

2 技术原理

飞行平台整体采用常规式气动布局，运用垂直起降和无线充电技术，在维护、侦察、警报、打击的全流程中具有高度自动化能力。该飞行器采用ABAQUS软件对机翼复合梁结构进行拓扑优化，采用XFLR5对外形布局进行基本设计；同时使用ANSYS仿真优化飞行器气动外形，在制造工艺上采用一体式成型制造，大量采用基于酚醛树脂基体的碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。此外翼身上表面覆盖太阳能电池板，采用锂聚合物电池和太阳能电池双动力来源，从能源、增升、减阻、减重多角度实现其载重能力和续航能力的突破。

本团队开发了机载火点定位算法，设计了火点特征提取算法和Mask火点图像过滤算法，对目标图像进行过滤，在剔除森林特征后，对于剩下的部分再进行Canny轮廓提取算法、Douglas-Peucker轮廓拟合算法和轮廓发现与定位算法，即可完成对森林火点的发现和精确定位；最后通过像素面积计算并与原图像进行分析和比较，筛选评定出最终的定位结果。

基于热电偶的双控式分瓣灭火弹设计中，弹体由弹头、机械引信、弹身、电雷管、柔爆索、弹身基座、稳定杆、尾翼等部分构成。综合考虑灭火弹的飞行速度、射程和飞行稳定性，选取了小阻力弹头长度，弹头外形设计为Von Karman曲线型，小阻力弹头长度降低了空气阻力和涡阻，有利于飞行的稳定。弹身主要用于装填灭火剂，安装机械引信；弹身为圆柱形，长35 mm，直径10 mm。在保持无人机飞行稳定、携带轻便的同时，尽可能地增大了灭火剂的填装容积，扩大了灭火剂的抛撒面积，提高灭火效率和灭火质量。

机翼翼形采用的NACA4412，飞行器巡航的环境为海拔0～3 km，飞行速度在0～50 m/s，距地面高度在1 km以内。经计算，上述条件下飞行器雷诺数变化范围在5×104～1×106之间。该范围内中，该飞行器都可以稳定提供升力。飞行器使用碳杆支撑倒V型尾翼的结构布局，用以消除飞行器的中后段机身产生的粘滞阻力。

机载视觉定位算法基于卷积神经网络开发，所选用训练集为10 000张森林火灾照片；测试集为1 000张人工标定的森林火灾正负样本。经检测，算法识别十分稳定，识别精确度达到97%以上。

3 创新点及应用前景

本作品的创新点包括以下三方面：（1）无人机平台主要由复合材料一体化成型，表面光洁、气动性能优异；双动力设计突破原有续航瓶颈，搭载具备高容低阻聚合物锂电池、太阳能电池板以及自动巡航和无线充电技术的固定翼垂直起降系统，可以实现维护、侦查、警报、打击全流程自主高效运作。（2）机载灭火弹采用拉发式分瓣式设计，搭载有基于热电偶控制的保险装置，即灭火弹采用双控（拉发式+热效应）式控制；采用超细干粉灭火剂，其ODP值、GWP值均为零。（3）利用基于OpenCV的图像反向直方图投影识别算法+HSV火焰颜色分析算法+深度学习技术对火源识别进行训练，以适应多场景下火源识别问题。多种方式同步对火源目标进行匹配，具有对火点识别精度高、不同工作环境下环境适应能力强等优势。

森林地理环境复杂，山高林密，信号容易被遮挡。利用无人机飞行平台搭载中继通信设备，可保证通信链路畅通，利于快速搭建覆盖任务区域的指挥系统和通信系统，既可满足各级指挥员的火场信息需求，也可实现现场单兵携带平板设备共享林火动态信息的功能。