森林火災救援無人機的設計研究

摘要：森林火災救援工作面臨著地形復雜、火情多變、基礎設施缺乏等困難，亟需借助現(xiàn)代科技手段提高救援效率和保障人員安全。無人機作為一種可操控飛行器，能夠迅速到達災區(qū)上空，采集大范圍、高分辨率的火場圖像和數(shù)據(jù)，從而幫助救援團隊快速了解火場狀況并制定有效的滅火方案。同時，無人機的應用還有助于減少救援人員的直接介入，降低因災害造成的人員傷亡風險。文章針對消防無人機核心功能模塊進行設計研究，設計了基于I2C通信的MPU6050慣性測量模塊，用于無人機的飛行姿態(tài)檢測；設計了基于AI視覺模塊K210與DVP攝像頭接口的火災圖像采集模塊電路；展示了HC-SR04超聲波測距模塊電路結構及其工作時序。所設計的模塊電路具有較好的實用價值。

關鍵詞：無人機；森林消防；熱感；火情偵查

中圖分類號：TN7" 文獻標志碼：A

作者簡介：張燁麟（2002— ），男，學士；研究方向：交通信息工程及控制。

0" 引言

森林是自然界中重要的生態(tài)系統(tǒng)，是生態(tài)鏈中不可或缺的環(huán)節(jié)，保護好現(xiàn)有的森林資源是可持續(xù)發(fā)展的重要前提［1］。而對森林資源危害最大的就是森林火災，隨著全球氣候變暖和人類活動的增加，森林火災發(fā)生的頻率和規(guī)模都可能會增加［2］，這給人類和生態(tài)系統(tǒng)都帶來了嚴重的威脅，如何采取有效的措施來減少森林火災的風險，如何在保障消防人員安全的前提下，使森林資源損失降到最低限度，已經成為人們亟待思考和解決的重要課題［3］。

1" 無人機應用于森林火災救援的優(yōu)勢

森林火災通常有突發(fā)性強、破壞性大、火勢多變等特點，為提高森林火災的救援效率，急需借助現(xiàn)代科技手段。無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）也稱無人飛行器，通常由地面操作人員通過遙控設備進行控制，或者通過預編程的飛行計劃自動執(zhí)行任務［4］。近年來，隨著技術進步，越來越多的無人機能夠實現(xiàn)半自主或全自主飛行，即通過機載計算機系統(tǒng)和傳感器進行導航及任務執(zhí)行。無人機非常適用于森林火災預防、監(jiān)控、救援等消防作業(yè)［5］。應用無人機進行森林火災的火情偵查、輔助救援具有多方面的優(yōu)勢和意義，具體如下。

（1）快速響應。無人機可以迅速部署到火場，第一時間對火場進行評估，提供重要的火情信息，并對火災走勢進行判斷［6］。對于突發(fā)的森林火災，這種快速響應能力是非常關鍵的。

（2）高效率監(jiān)控。無人機搭載的高清攝像頭和熱成像設備可以對火場進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)火源和熱點區(qū)域。并幫助精確定位火源位置，為地面滅火隊伍提供準確的導航信息，這在復雜多變的森林地形中尤為重要［7］。

（3）安全性。森林火災現(xiàn)場往往非常危險，無人機的使用可以減少人員直接參與偵查的風險，有效保障人員安全。

（4）數(shù)據(jù)處理與指揮系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以實時傳輸火場圖像和數(shù)據(jù)，為指揮決策提供支持［8］。

2" 消防無人機的組成

目前常用的森林火災救援無人機有多旋翼無人機和固定翼無人機2種，它們都是較為復雜的機電系統(tǒng)，除無人機的飛行平臺外，還由多個功能模塊組成，常用的模塊包括如下。

（1）飛行控制模塊。這是無人機的核心，負責控制無人機的起飛、飛行和著陸，能確保無人機穩(wěn)定飛行并按照預定航線作業(yè)。

（2）動力系統(tǒng)模塊。提供無人機所需的推力，包括電機、螺旋槳和電池等部件。動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率直接影響無人機的飛行時間和負載能力。

（3）傳感器模塊。包括攝像頭、熱成像儀和其他檢測設備，用于采集火場的視覺和熱圖像信息。這些數(shù)據(jù)對于評估火勢和發(fā)現(xiàn)熱點區(qū)域至關重要。

（4）通信模塊。為無人機與操作員之間提供實時數(shù)據(jù)傳輸和遙控指揮。良好的通信系統(tǒng)能夠確保復雜環(huán)境中人機之間的聯(lián)系。

（5）導航定位模塊。通常包括GPS和其他定位系統(tǒng)，確保無人機能夠準確定位并按照預定路線飛行。

（6）載荷模塊。根據(jù)不同的任務需求，可能會有專門的載荷設備，如投放物資的夾持裝置或者特定的監(jiān)測儀器。

3" 消防無人機的模塊設計

消防無人機技術的發(fā)展和應用是跨學科的綜合性領域，涉及航空工程、電子工程、計算機科學、通信技術、人工智能等，下面僅就無人機的幾個核心技術進行探究。

3.1" 飛行姿態(tài)檢測

無人機的飛行姿態(tài)檢測是確保其穩(wěn)定飛行和執(zhí)行任務的關鍵。而姿態(tài)檢測的硬件核心是慣性測量單元（IMU），IMU通常包括加速度計、陀螺儀等傳感器，用于測量無人機的運動狀態(tài)，并通過姿態(tài)解算來提供實時的姿態(tài)信息。目前IMU種類較多，其中MPU6050是一種較常用的慣性測量模塊。MPU6050 是一款6軸運動處理傳感器，集成了3軸MEMS加速度計、3軸MEMS陀螺儀和1個數(shù)字運動處理器（Digital Motion Processor，DMP），這使得MPU6050能夠同時檢測和處理物體在空間中的加速度和角速度信息，從而提供更全面的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。MPU6050可以通過I2C或SPI接口輸出數(shù)據(jù)，便于與各種微控制器或處理器連接，廣泛應用于飛行控制系統(tǒng)的運動檢測領域。

MPU6050 電路連接如圖1所示，通過 I2C 進行通信，最快通信速度為 400 k/s，可以及時獲得當前無人機的6軸數(shù)據(jù)。MPU6050的6軸功能為開發(fā)者提供豐富的運動信息，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。

在此硬件基礎上，再通過姿態(tài)估計算法來確定無人機在空中的姿態(tài)，即滾動、俯仰和偏航角度。無人機飛行姿態(tài)的檢測是一個復雜的過程，涉及多個傳感器和算法的協(xié)同工作。正確的飛行姿態(tài)對于無人機的穩(wěn)定性和任務執(zhí)行至關重要。在飛行時，無人機會根據(jù)實時數(shù)據(jù)調整其姿態(tài)，以確保飛行的安全性和準確性。

3.2" 火災圖像采集

無人機可配備攝像頭用于監(jiān)視火場和周圍區(qū)域，提供火勢蔓延的實時視圖，幫助消防人員評估情況和規(guī)劃滅火策略。目前可選用的攝像頭模塊種類較多，其中K210是一款功能強大的AI視覺模塊，不但可以進行視頻實時監(jiān)控，還具備視覺識別功能，能夠對火災、煙霧等情況進行較為準確的識別。

K210具有雙核64位處理器，總算力可達1 TOPS，內置多種硬件加速單元（KPU、FFT等），該芯片帶有獨立FPU的雙核處理器、64位CPU位寬、8 M片內SRAM，支持乘法、除法和平方根運算的雙精度FPU，并且擁有較好的功耗性能、穩(wěn)定性與可靠性。K210與24 Pin DVP攝像頭接口如圖2所示。

K210支持Maixpy開發(fā)，應用K210視覺模塊進行火焰識別，其原理是基于卷積神經網(wǎng)絡的圖像識別技術，K210內置了神經網(wǎng)絡處理器KPU，可以在低功耗情況下實現(xiàn)卷積神經網(wǎng)絡計算，借助于硬件加速能力，K210可以使用多種深度學習框架（TensorFlow Lite、 Caffe）來實現(xiàn)火源的識別。

3.3" 熱感探測技術

普通的攝像機可捕捉火焰和煙霧的可見光圖像，但受限于光線條件，夜間或能見度低的情況下效果不佳。而森林火災發(fā)生時，常常伴有很重的濃煙，所以上空能見度并不理想。熱感探測技術是一種利用紅外線熱成像技術來監(jiān)測和定位火源的方法，可以使無

人機在黑暗或有煙霧的情況下偵察火場，通過檢測火災產生的熱量，能夠在黑暗或煙霧彌漫的情況下發(fā)現(xiàn)隱蔽的火源和余燼。這項技術通過紅外相機或無人機搭載的熱感儀器，利用附著大量紅外探測器像元的紅外焦平面陣列來采集熱輻射能量信號，能夠迅速檢測到火源的熱量輻射，并將其轉化為熱圖顯示出來。這樣，救援人員可以準確判斷火災的位置、大小和形態(tài)，有針對性地制定滅火策略，并指導撲救行動。通過熱感技術還可以追蹤火勢的移動和強度，幫助消防員預測火勢的蔓延；熱成像傳感器可以穿透煙霧和碎片，搜索、定位被困人員。

FLIR（Forward Looking Infrared）和高德智感等品牌提供的紅外熱像儀均適用于無人機火災檢測。FLIR的紅外火焰探測器采用先進的紅外成像技術和算法，能夠高效地檢測和識別火焰，提供清晰的熱圖像，有助于及時發(fā)現(xiàn)火源和熱點，適用于無人機森林火災檢測領域；高德智感的紅外熱像儀在性價比上較具優(yōu)勢，其產品具有良好的圖像質量和穩(wěn)定的性能，也非常適合用于無人機火災檢測。

3.4" 超聲波技術

無人機可以安裝超聲波測距模塊，利用超聲波傳感器來檢測障礙物距離，并實現(xiàn)避障功能。在森林火災檢測和撲救中，火源周圍可能存在密集的樹木、山體巖石等障礙物，給無人機的飛行帶來困難。無人機可以通過測距模塊發(fā)射超聲波信號，并接收這些信號的反射波來檢測障礙物。無人機可根據(jù)這些超聲波信息并綜合攝像頭采集到的圖像來實時檢測障礙物的位置和距離，從而做出相應的避障動作。目前可應用的超聲波測距模塊較多，而HC-SR04超聲波模塊結構簡單、性能穩(wěn)定，可作為超聲波避障模塊的備選方案之一。其內部電路如圖3所示。

HC-SR04超聲波模塊有4個引腳，分別為：電源（Vcc）、 控制端（Trig）、 接收端（Echo）、 地（Gnd）。Trig引腳的觸發(fā)信號和Echo引腳的輸出回響信號如圖4所示。

HC-SR04采用IO觸發(fā)測距，給Trig引腳至少10 μS的高電平信號。該模塊會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，然后自動檢測是否有回波信號返回。如果有信號返回，Echo引腳輸出高電平，即回響信號，而回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。

障礙物距離=回響信號高電平時間×聲速（243 m·s-1）/2

根據(jù)上式計算出無人機與障礙物間的距離后，可采取適當?shù)男袆觼肀苊馀鲎?。由于篇幅限制，無人機其他功能模塊這里不再贅述。

4" 結語

將無人機應用到森林防火監(jiān)測中，能有助于提早發(fā)現(xiàn)森林火情，及時掌握火情信息，迅速部署防火力

量，盡可能把嚴重的火情撲滅于萌芽狀態(tài)。無人機在森林火災中的應用不僅提高了火情偵查的效率和安全性，還可對災后重建和長期的環(huán)境保護提供有力的技術支持。隨著無人機技術的不斷發(fā)展，其在森林火災管理中的作用越來越大，對于保護生命財產安全和森林資源意義重大。

參考文獻

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（編輯" "沈" 強）

Design and research of forest fire rescue UAV

ZHANG" Yelin

（Computer and Communication School， Dalian Jiaotong University， Dalian 116029， China）

Abstract： Forest fire rescue work faces difficulties such as complex terrain， variable fire conditions， and lack of infrastructure. It is urgent to use modern technological means to improve rescue efficiency and ensure personnel safety. As a controllable aircraft， UAV can quickly reach the airspace over disaster areas， collect large-scale high-resolution fire scene images and data， thereby helping rescue teams quickly understand the fire situation and develop effective firefighting plans. At the same time， the application of UAV also helps to reduce the direct intervention of rescue personnel and reduce the risk of casualties caused by disasters. This article focuses on the design of core functional modules for firefighting UAV. An MPU6050 inertial measurement module based on I2C communication is designed for flight attitude detection of UAV. A fire image acquisition module circuit based on AI vision module K210 and DVP interface is designed. The circuit structure and sequence diagram of the HC-SR04 ultrasonic ranging module are shown， and these designed module circuits have good practical value.

Key words： UAV; forest fire protection; heat sensation; fire investigation