無人機(jī)森林消防技術(shù)(8)第8章

消防無人機(jī)飛控導(dǎo)航系統(tǒng)主要內(nèi)容（1）消防無人機(jī)飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的基本概念。（2）消防無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的定義、功能和類型。（3）消防無人機(jī)機(jī)載傳感器和避障技術(shù)。（4）消防無人機(jī)制導(dǎo)控制系統(tǒng)。（5）消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫與消防車。

消防無人機(jī)的飛行品質(zhì)飛行品質(zhì)是飛行器作為質(zhì)點(diǎn)系在外力、外力矩作用下的運(yùn)動(dòng)特性，它涉及飛行安全和飛機(jī)操縱難易程度。1、消防無人機(jī)飛行的平衡（1）俯仰平衡。（2）方向平衡。（3）橫向平衡。2、消防無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性（1）俯仰穩(wěn)定性（2）方向穩(wěn)定性（3）橫向穩(wěn)定性3、消防無人機(jī)飛行的操縱性

消防無人機(jī)的GNC技術(shù)消防無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，為了圓滿完成飛行任務(wù)，必須在其所處的三維空間解決飛行方向、定位和控制三個(gè)最基本的問題，簡(jiǎn)稱GNC技術(shù)。（1）制導(dǎo)（Guidance）：要去哪里？（2）導(dǎo)航（Navigation）：現(xiàn)在何處？（3）控制（Control）：怎么走？

消防無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)是消防無人機(jī)自主飛行的核心，扮演著

制導(dǎo)決策與控制的雙重角色，其總體結(jié)構(gòu)由機(jī)上及地面兩部分

組成，機(jī)上和地面系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)直接耦合。地面駕駛

員將操縱信號(hào)和飛控指令輸入地面的飛控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)

算機(jī)處理后，通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)傳輸?shù)綑C(jī)上自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)計(jì)

算機(jī)，經(jīng)處理后去控制無人機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)。消防無人機(jī)飛行控

制方式有全自主控制和半自主控制方式兩種。

消防無人機(jī)飛行姿態(tài)解算

姿態(tài)解算是指飛行控制系統(tǒng)控制器讀取傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算消防無人機(jī)的姿態(tài)角，比如橫向翻滾角（roll）、俯仰角（pitch）、方向角（yaw）信息，飛行控制器根據(jù)這些信息即可計(jì)算消防無人機(jī)各旋翼轉(zhuǎn)速（或槳距）的輸出量，使消防無人機(jī)保持平衡穩(wěn)定或者保持一定傾斜角，使消防無人機(jī)朝著某設(shè)定方向飛行。姿態(tài)解算是消防無人機(jī)穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，解算速度和精度直接關(guān)系到消防無人機(jī)飛行中的穩(wěn)定性和可靠性。1、飛行姿態(tài)自動(dòng)控制的流程2、飛行姿態(tài)解算的步驟（1）數(shù)據(jù)濾波算法。（2）姿態(tài)檢測(cè)算法。（3）姿態(tài)控制算法。

消無人機(jī)防自主故障診斷與自修復(fù)消防無人機(jī)自主故障診斷與自修復(fù)重構(gòu)是它實(shí)現(xiàn)自主控制

的保障，能夠提高消防無人機(jī)在森林火災(zāi)惡劣環(huán)境下的生存能

力以及飛行安全性。1、故障單元確定2、故障類型劃分3、故障/解除判定方法4、應(yīng)急等級(jí)及處理策略

消防無人機(jī)導(dǎo)航的定義和功能1．消防無人機(jī)導(dǎo)航的定義主要解決消防無人機(jī)“現(xiàn)在何處？”的精確定位問題：（1）自主式導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等。（2）非自主式導(dǎo)航。無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。2．消防無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能（1）獲得必要的導(dǎo)航要素，包括高度、速度、姿態(tài)、航向。（2）給出滿足精度要求的定位信息，包括經(jīng)度、緯度。（3）引導(dǎo)飛機(jī)按規(guī)定計(jì)劃飛行。（4）接收預(yù)定任務(wù)航線計(jì)劃，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。（5）接收控制站的導(dǎo)航模式控制指令并執(zhí)行。（6）具有接收并融合消防無人機(jī)其他設(shè)備的輔助導(dǎo)航定位信息。（7）配合其他系統(tǒng)完成各種任務(wù)。

消防無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的類型

1．慣性導(dǎo)航2．天文導(dǎo)航3．多普勒導(dǎo)航4．衛(wèi)星導(dǎo)航5．差分GPS導(dǎo)航6．無線電導(dǎo)航7．組合導(dǎo)航

消防無人機(jī)差分GPS導(dǎo)航示意圖

消防無人機(jī)機(jī)載傳感器1．陀螺儀2．加速度計(jì)3．磁力計(jì)4．氣壓計(jì)5．全球定位系統(tǒng)（GPS）6．紅外溫度傳感器

7．電子羅盤8．激光掃描測(cè)距雷達(dá)

消防無人機(jī)避障技術(shù)

1．紅外避障：常見的實(shí)現(xiàn)方式是采用“三角測(cè)量原理”。2．超聲波避障：頻率高于20kHz，

人耳聽不見，指向性強(qiáng)。3．激光避障：發(fā)射激光然后接收。4．雙目視覺避障：利用兩個(gè)平行的

攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據(jù)兩幅圖像視差，計(jì)算出特定點(diǎn)的距離。

無人機(jī)制導(dǎo)控制系統(tǒng)機(jī)載制導(dǎo)控制系統(tǒng)是完成“制導(dǎo)”和”控制”兩項(xiàng)功能的硬件及軟件總稱。（1）伺服執(zhí)行系統(tǒng)。由伺服機(jī)構(gòu)、舵機(jī)、反饋傳感器和放大器等組成。（2）控制系統(tǒng)。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用來改變姿態(tài)、速度等參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行或跟蹤制導(dǎo)指令。（3）制導(dǎo)系統(tǒng)。由穩(wěn)定控制系統(tǒng)加上測(cè)量消防無人機(jī)運(yùn)動(dòng)、位置等信息的導(dǎo)航類傳感器，以及制導(dǎo)信號(hào)解算模塊組成。

消防無人機(jī)的制導(dǎo)技術(shù)的類型消防無人機(jī)制導(dǎo)技術(shù)是指按照一定規(guī)律控制消防無人機(jī)的飛行方向、姿態(tài)、高度和速度，用于引導(dǎo)其安全飛行的自動(dòng)化技術(shù)。1．自主制導(dǎo)技術(shù)1）程序制導(dǎo)2）慣性制導(dǎo)3）衛(wèi)星制導(dǎo)4）天文制導(dǎo)5）地圖匹配制導(dǎo)2．遙控制導(dǎo)技術(shù)1）指令制導(dǎo)2）波束制導(dǎo)3．尋的制導(dǎo)技術(shù)

1）主動(dòng)尋的制導(dǎo)

2）半主動(dòng)尋的制導(dǎo)

3）被動(dòng)尋的制導(dǎo)

消防無人機(jī)的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)

舵機(jī)是舵回路的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是輸出力矩和角速度，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)。其工作過程包括兩方面：一方面是通過主傳動(dòng)部分的減速器帶動(dòng)鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)，操控舵面偏轉(zhuǎn)：另一方面是通過測(cè)速傳動(dòng)部分的減速器帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，輸出與舵面偏轉(zhuǎn)角速度成正比的電信號(hào)，作為舵回路的負(fù)反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵回路的閉環(huán)控制。1．電動(dòng)舵機(jī)（1）間接式。（2）直接式。2．液壓舵機(jī)（1）液壓助力器。（2）電液伺服裝置。

消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫的定義消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫通過機(jī)械化裝置實(shí)現(xiàn)飛行平臺(tái)的升

降和艙門開合，具備消防無人機(jī)存儲(chǔ)以及放飛回收、充能功能，

以及開箱即用、自主可控、穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)本地化、軟硬件一

體化、高環(huán)境適應(yīng)性、多天氣適應(yīng)性等特點(diǎn)?？蓪⑾罒o人機(jī)

直接部署到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，解決人工攜帶消防無人機(jī)通勤的問題，

既能增強(qiáng)無人機(jī)應(yīng)急作業(yè)能力，作業(yè)效率也得到大幅提升。

消防無人機(jī)機(jī)庫的作用和構(gòu)成1、消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫的作用（1）有一個(gè)密閉空間，可解決消防無人機(jī)的野外存放問題。（2）采用自動(dòng)化機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)停放平臺(tái)的升降和艙門開合。（3）解決無人機(jī)的電池充能或加油問題。2、消防無人機(jī)機(jī)庫的構(gòu)成（1）機(jī)庫體（2）庫內(nèi)模塊（3）庫外設(shè)備

消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫的功能（1）可靠的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力（2）氣象探測(cè)能力。（3）自我防護(hù)能力。（4）提升消防無人機(jī)安全可靠性。（5）優(yōu)化人機(jī)交互平臺(tái)。①環(huán)境探測(cè)傳感器。②簡(jiǎn)化操作界面。③預(yù)留通道。④緊急情況處置。⑤系統(tǒng)適配程度。

消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫的基本類型

1、固定式機(jī)庫

固定式消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫是固定擺放在野外，主要解決的就是在固定區(qū)域內(nèi)消防無人機(jī)的全自動(dòng)巡檢巡邏和撲滅火災(zāi)工作。其覆蓋范圍相對(duì)有限，主要面對(duì)相對(duì)高頻的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)揮產(chǎn)品的最大應(yīng)用價(jià)值。2、移動(dòng)式機(jī)庫

移動(dòng)式消防無人機(jī)自動(dòng)化機(jī)庫安裝在運(yùn)輸車輛上，與運(yùn)輸車輛融合為一體。既具有固定式自動(dòng)化機(jī)庫性能，可以為消防無人機(jī)不間斷供電、遠(yuǎn)程通信和集成自動(dòng)換電（或加油），又具有無人機(jī)消防車的運(yùn)輸能力，作業(yè)靈活機(jī)動(dòng)，作業(yè)范圍大，不受區(qū)域限制，能夠自動(dòng)化操作，連續(xù)作業(yè)，提高消防無人機(jī)運(yùn)作效率，以及運(yùn)行穩(wěn)定和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等。

無人機(jī)消防車(1)小型消防旋翼無人機(jī)體積小、重量輕，運(yùn)輸攜帶方便，通

常采用無人機(jī)消防車運(yùn)輸。無人機(jī)消防車與移動(dòng)式消防無人機(jī)

自動(dòng)化機(jī)庫的主要區(qū)別是：無人機(jī)消防車是作為消防無人機(jī)的

運(yùn)輸工具，不具備自動(dòng)化機(jī)庫其他的必備功能，如自動(dòng)給消防

無人機(jī)的電池充能或加油等。

無人機(jī)消防車(2)無人機(jī)消防車安裝有5G或星鏈通信鏈路接收天線，并在

其周圍空間構(gòu)成一個(gè)5G或星鏈移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，供網(wǎng)絡(luò)消防

無人機(jī)使用。小型旋翼無人機(jī)消防車有多種型號(hào)，根據(jù)消防車

尺寸大小和載重量的不同，分為A、B、C三種型號(hào)?？裳b載1

架小型旋翼無人機(jī)的無人機(jī)消防車稱為A型，裝載2架的稱為B

型，裝載4架的稱為C型。

A型無人機(jī)消防車外形尺寸如下圖。

無人機(jī)消防車(3)

B型無人機(jī)消防車外形尺寸9000mm×2500mm×3800mm，

駕乘人數(shù)6人，最大行駛速度100km/h。車上安裝有5G或星鏈

通信鏈路接收天線，配備車載電平外接充電裝置，10kWUPS

電源管理系統(tǒng)，20kg取力式發(fā)電機(jī)，自動(dòng)滑出無人機(jī)起降平臺(tái)，

支持2架小型消防多旋