无人机通信模块在消防远程通信指挥中应用研究

近年来，随着飞控系统的开源、配套技术的进步以及市场需求的增加，无人机在各领域的应用得到快速发展。目前，无人机在各级消防救援单位均得到不同程度的配发，但其使用仍存在诸多问题：一是无人机专项培训较少，基层通信人员缺乏系统全面的无人机培训;二是无人机的功能应用较为狭窄，目前主要集中于航拍侦察，缺乏进一步的深度应用;三是通信组网混乱，与现场通信指挥车、远程通信指挥中心等通信模块连接不畅，信息共享有待提升。结合上述无人机应用过程中存在的问题，从理论阐释和实证研究的角度解决相关的问题，规范现场无人机通信组网流程，从而提升无人机在灭火救援中的应用水平，对实际操作具有一定的借鉴与参考价值。

1 无人机通信模块应用研究

选用的六旋翼无人机具有航时长、机身稳固、应用灵活的特点。鉴于通信模块在无人机现场作业中占据的重要位置，按照无人机的作业顺序，从先导侦察、图像传输、扩音喊话这三个主要功能出发，进行功能的技术手段及应用研讨。

1.1 先导侦察的功能优化

先导侦察是指火灾、洪涝等自然灾害发生后，消防无人机采用手动操作或自主航迹规划的方式，先于其他的消防救援力量到达灾害现场进行侦察的一种功能。然而，目前消防领域采用无人机出动的模式通常为“手动遥控为主，自主飞行为辅”的操作方式，即消防员到场后，使用遥控器进行定点悬停、俯冲或下降等动作，完成灾害现场的初步侦察，在侦察过程中的部分阶段，使用自主航迹规划进行侦察。

此种操作方式虽简单易行，但存在明显的不足。如无人机在出动时，由于人员操作的限制，只能在消防救援人员到场后方可实施，致使无人机先导侦察、提前预判的能力大大弱化。因此，应将无人机的侦察功能进一步优化，实现先导侦察。

根据算法的基本原理和出现的先后时序，可以将路径规划算法分为四大类：传统算法、图形学方法，智能仿生学算法和其他算法。笔者采用的无人机将栅格法、A算法及遗传算法相融合，所采用的算法如下：一是采用栅格法对飞行涵盖的空间进行建模，即在确定飞行目标地点的位置坐标后，通过谷歌地图的道路建筑信息及构筑物的高度信息进行一定步长的划分，并结合本辖区特点，选择预先设置的几个中继节点作为区域目标点;二是利用 A的 open表和 close 表格及启发函数 h（n）对飞行路线进行约束限制，引导其向既定目标点飞行;三是引入蚁群算法进行处理。由于在上述步骤中，代价表的建立缩减了大量的无效或低效的飞行区域。因此，在少量迭代次数的情况下即可得到最终飞行路线。

此外，该无人机也可采用更为简单的飞行方式，即采用“最低安全飞行高度”。在飞行器的地面控制终端上，由于国内无人机的导航系统大部分采用 Google 地图进行GPS 定位与导航，可以在飞行前进行高度设定，选取飞行领域中的最高点作为最低安全飞行距离，在设定了终点后实现自主飞行。由于消防无人机载有避障模块，可避开高空障碍物以实现安全飞行。

1.2 图像传输的功能优化

在消防无人机的通信系统中，一般包含图传、数传等无线电传输设备。其中，无人机通过搭载图像传输模块进行现场图像的实时回传，则是无人机完成现场侦察、指挥辅助决策功能的最重要的环节。结合消防部门通信装备配备现状，3G/4G 图像传输与微波图像传输是目前可行性强、传输稳定的传输方式。

（1）3G/4G 图像传输。在消防的实际应用中，3G/4G图像传输可以理解为使用 4G 设备进行 3G 图像传输，其现场的数据传输路径，如图 1 所示。图中的 1～5 分别为无人机、无人机地面终端、3G 公网基站、服务器和指挥中心。一是无人机承载的高清摄像机实时摄录现场影像，将数据传递到无人机的地面终端上;二是地面终端引出一条HDMI 的高清接口，向地面的 3G 公网基站发射信息;三是通过访问通信指挥中心登录 IP 地址，连接服务器，即可获取基站转接的数据信息。

（2）微波图像传输。微波图像传输是指消防通信人员将无人机拍摄到的视频数据通过便携式等发射终端，以微波的形式将信息发送至现场的通信指挥车上的车载接收机，经过车载发射机再次发射后，即可在通信指挥中心看到实时视频资料，实现“现场-指挥车-指挥中心”同步观看。具体传输流程如图 2 所示。在图 2 中，1～4 分别为无人机、背负式微波传输设备、现场指挥车的接收端与输出端、指挥中心。

1.3 扩音喊话的功能优化

目前，扩音系统在消防通信中的应用大部分停留在地面喊话的阶段。然而，在高层建筑轻生现场以及引导人员疏散等救援现场，经常由于地面人车拥挤，声音嘈杂，致使扩音设备的效用大为降低。因此，使用无人机可以实现消防救援现场的高空喊话，增强被救助者在等待救援时的信心。结合目前消防救援实际情况，可采用如下方式：无人机搭载无线接收设备，地面救援人员在到达现场后，立即使用手台进行喊话，通过无线传输方式传输到无人机的接收设备后，通过扩音器将声音传出。

2 实证研究

2.1 先导侦察实验研究

选取某消防部门训练基地为实验对象，对温度、风向、天气等基本情况作出记录后，设定无人机的初始地点及事故想定点。使用 Google 地图进行定位，确定飞行初始点与终点，实施一键飞行，得到的部分飞行画面如图 3、图 4所示。从图中可以看出，接到出动指令后，无人机先于消防车出发，并在飞行途中不间断地将图像传回指挥员手中的无人机地面终端;到达现场后，能够清晰、准确地显示出事故地点泄漏源的扩散程度、周边道路情况及人员被困情况，为途中指挥决策提供重要来源。

通过实验可以看出，通过高清摄像机传回地面终端的图像清晰，画面稳定，符合消防部队对于先导侦察的基本要求，证明采用防抖动平台及高清摄像机的六旋翼无人机可以实现该功能。

2.2 图像传输实验研究

（1）3G/4G 图像传输实验研究。本实验选取训练场化工装置训练区作为事故现场，将指挥演练中心设定为支队指挥中心，实验的成功标准设定为：消防人员到场后能否将无人机采集到的图像稳定清晰地传回指挥中心显示屏上且时差小于 1 s。实验开始后，无人机在现场消防人员的操作下，迅速起飞，待飞行平稳后开始记录其传输画面。得到的现场部分的地面终端截图及指挥中心截图，如 图 5、图 6 所示。

从图像中可以看出，采用 3G/4G 图像传输的方式能够做到实时传输，实现“现场-地面终端-指挥中心”的视频同步。但在指挥中心的页面中，由于受到公网基站的影响，指挥中心服务器访问得到的画面像素大幅度降低，但整体画质并不影响指挥中心的视频观看与分析研判，符合灾害现场视频传输要求。

（3）微波图像传输实验研究。为防止单一传输手段在现场出现故障后导致图传中断，在采用 3G/4G 图像传输的基础上，进行对比试验，即使用微波图像传输方式，使用单兵背负式微波传输设备进行图像传输，相关通信设备如图 7 所示，图中分别为现场通信指挥车、消防无人机、微波传输设备、地面接收端。

选取高层建筑模拟演练区作为事故地点。事故人员到场后，迅速携带单兵背负式微波传输设备，在确保通信指挥车的输入端与视频输出接口连接完整的情况下，操纵遥控设备对无人机进行起飞操作。飞离至预定高度后定点悬停，开始传输视频图像。在画面稳定后，选取某一时刻的地面终端图像及指挥中心图像进行记录和对比，从图8、图 9 可以看出，在起飞后 2 分 47 秒后，截取同一时间高清摄像机影像及指挥中心图像，经过通信指挥车传输回指挥中心的图像与无人机在高空拍摄的图像相比，虽然画质在一定程度上降低，但整体的画质清晰度及同步性较为良好，符合现场侦察及指挥中心对于灾害现场的画面要求。

通过对比两种侦察方式传输的视频画面，可以看出：从整体画面效果、时延情况以及传输稳定性的角度，二者均能达到预期的效果。在指挥救援现场，一旦其中某种指挥手段因外部环境干扰被迫中止时，可迅速采用第二种方式进行视频传输。

2.3 扩音喊话功能实验研究

设定灾害情景为：高层建筑起火楼层上方有人员被困，为防止被困人员盲目跳楼，决定启用无人机进行喊话安抚。消防人员到场后，选择扩音模块并将其载荷到无人机的云台上，将手台频率调制 350 MHz，扩音模块接收端也调至 350 MHz，通过无人机上的微型喇叭将声音扩散出去。由于微型喇叭采用小型锂离子电池作电源，设备轻巧，对无人机的载荷要求较低。现场试验情况如图 10、图11 所示。

在实验现场对电台进行喊话后，声音立即从无人机上的扩音模块传出，且音量适中，在高层建筑中的被困人员可以清晰地听到扩音器的喊话内容。证明该通信模块及通信方式可以满足灭火救援现场对扩音功能的要求。

3 结束语

立足当前消防无人机在灭火救援现场急需改进的应用功能，提出了相应的通信技术路径及实现手段，阐述了其中包含的技术原理，最后通过实地检验的方式，对技术路径进行了实际论证。实验证明：采用自主研发的六旋翼长航时无人机可以完全实现本文提出的先导侦察、图像传输及扩音喊话功能，为今后消防部门在使用无人机的相应功能时提供了一定的参考价值。但该无人机仍存在荷载分散、视频传输质量差等问题。下一步将从通信模块集成整合、数据处理等角度继续进行探索。随着飞控设备、通信链路技术的不断更新与发展，消防无人机的先导侦察、图像传输等功能将得到进一步的优化，并向通信设备信息融合、通信辅助决策平台等发展方向靠拢，为“智慧消防”的建设注入新的活力。

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