宋晨晖，程子啸
（广州亿航智能技术有限公司，广州 510663）
随着城镇化发展进程的加快，中心城市建筑密度不断增加，垂直空间上持续增长的高楼成为了靓丽的城市风景线，但同时也带来了巨大的消防隐患［1］。高层建筑的“烟囱效应”造成其火灾具有破坏力大、扑救难度高、火灾蔓延途径多等特点，目前国内外对于高层建筑的火灾扑救还依赖建筑内部的消防喷淋系统进行整体降温，走火通道进行人员疏散，防火闸门进行物理隔断，最后由消防员在外部使用云梯进行表面降温，内部携带装备徒步攻坚的方式进行扑救的方法［2－3］。因此，高层建筑的灭火救援一直是世界难题，给消防救援工作带来巨大的挑战。
传统的云梯消防车模式受制于云梯高度限制，其喷射高度、举升高度有限，加之消防车通道被占、展开环境受限、展开时间较长，许多火灾现场都有扑救不及时的情况发生。同时此模式的设备使用和维护成本巨大，价格动辄千万元以上，配置数量极为有限。随着无人机技术的快速迭代，应用场景扩大，消防无人机作为消防救援活动的补充装备应运而生［4－5］。辅助型消防无人机主要携带特种摄像装备，将高处火灾情况通过摄像头、红外双光摄像机等设备实时传至地面消防作业人员，辅助消防作业人员定位火灾地点，为灭火方案制定研判依据，降低人员侦察带来的风险因素，避免人员进入有毒、易燃等危险环境。灭火型消防无人机主要携带灭火消防设备，在火灾现场执行高空消防作业，其载重一般在50～100 kg；
载荷种类根据作业任务不同有水剂、干粉、灭火投掷弹等；
其作业方式均为水平喷射或水平投掷；
作业距离受喷射功率及灭火剂弥散性能的影响，在5～15 m不等；
其作业目标为高层带窗建筑，通过对建筑窗口内喷射灭火剂将室内火势进行控制［6］。
通过使用消防无人机第一时间到达火场，对起火点进行侦察研判并实施精准扑灭，实现对高层建筑火灾的“查早、打早、灭早”，并能够有效保障消防员和现场受困人员的生命安全［7－8］。
当前常见消防无人机作业模式通常为携带装备到现场展开作业的操作方式，即消防员到达火灾现场后就地展开无人机，在现场使用遥控器控制无人机并对火灾场地进行初步侦察，确定起火位置后再使用灭火型无人机进行作业［9］，其作业瞄准操作使用遥控器进行：操作员通过无人机搭载的摄像头所拍摄实时图传与现场自身目视情况进行对比校正瞄准。由于高层建筑的火灾现场作业区域脱离目视范围情况较多，使用遥控器手动瞄准容易产生目视偏差，观瞄准确度依赖现场执飞者经验。因此需要找到一种适用于远程控制瞄准的方法予以校正以提高灭火的精准性。基于此，本文对以上问题展开研究。
笔者所在团队研制了一款大载重灭火型消防无人机，其具有快速响应、大载重、多种载荷配合作业的特点。预期用于高层建筑火灾的消防应用，主要面向场景为消防车云梯所无法触及的高层建筑火灾。得益于大载重优势特性，其载荷为100 kg 水剂／粉剂灭火剂，同时搭载破窗灭火弹6 枚，搭配4G 无线通信系统与地面控制站进行操纵。使用水平喷射方式对高层建筑室内火灾进行灭火作业［10］。
灭火水剂／粉剂喷嘴固定安装于无人机前向方位，作业有效范围为一固定值；
同样安装于无人机前向方位的可见光摄像头则可以无人机视角采集现场画面。使用地面控制站进行辅助瞄准方法的具体方法原理为：根据摄像机凸透镜成像原理［11］，在已知机载摄像机焦距f 的前提下，通过地面控制站计算传输到操作终端显示屏中实时画面的各要素相对位置关系，从而推算物理成像平面中真实物体的相对位置关系，如图1 所示。通过该推算真实物体位置关系结合无人机环境感知数据（包括无人机当前实时坐标位置、无人机当前位置与建筑物或障碍物的距离），经换算转化为无人机控制坐标系中的位移控制输入指令，使无人机根据指令移动至目标位置点。
图1 摄像机凸透镜成像原
灭火型消防无人机系统的构建包括机身结构系统、机载系统、地面控制站［12］。机身结构系统主要为灭火剂载荷提供装载平台，为其他机载设备提供安装和工作条件，并把这些部件载荷有效的分配和传递，使之达到受力平衡。机载系统由飞行控制、障碍感知、能源供给、动力装置、通信组件所构成［13］。飞行控制处理外部输入的飞行指令，通过传感器感知速度、高度、姿态、位置信息，实现对飞机空间位置和飞行状态的控制；
障碍感知为多组激光雷达及前向可见光摄像头，激光雷达工作朝向覆盖飞行作业方向，用于探测距飞机100 m 范围内的典型障碍物（如建筑外立面），摄像头用于提供作业过程中的实时图像，并为操控员对飞行控制指令的输入提供视觉参考；
能源供给为多组锂离子动力电池，提供飞行控制与机载系统工作所需能源；
动力装置接收飞行控制系统输入指令并使用能源供给系统提供的能量，实时调节多组螺旋桨的转速，实现整机飞行；
通信组件通过商用4G移动通信网络与地面控制站建立数据链，向机载系统传输人工指挥和控制指令，同时也向地面控制站传输实时图像数据。地面控制站综合处理机载系统回传的各项关键飞行参数，并以特定人机交互界面向操控员提供飞机的实时飞行数据、地理位置信息、图像采集信息、作业挂载工况信息。系统架构如图2 所示。
图2 灭火型消防无人机系统架构
3.1 飞行控制
将灭火型消防无人机部署于城市中特定位置的消防站点，以该站点为中心负责管控半径5 km内的所有高层建筑。消防站配置合适的起降场地，供灭火消防无人机直接在站点快速起飞，近距离飞往辖区内的高层建筑附近［14］。
起飞后可对该无人机进行远程控制，在消防员地面出动到达现场之前提前侦察，向地面回传数据并执行灭火作业。
3.2 态势感知
无人机到达现场后操作员首先利用位于机身前方的可见光摄像头对现场进行态势研判，手动控制爬升／下降至对应起火点高度。使无人机靠近建筑物外立面约20～30 m处。机载雷达识别的障碍物数据回传至地面控制站，并在地面控制站的地图界面上形成散点分布。操作员通过散点分布状态可判断建筑物外立面轮廓形态。结合可见光摄像头回传的图像信息增加现场环境认知。
3.3 锁定方位
操作员通过地面控制站开启辅助瞄准功能。此时飞机摄像头将会进入前向锁定模式，摄像头回传的图像将与飞机前向喷嘴保持相对固定的状态。操作员在地面控制站的地图界面根据机载雷达识别到的障碍物数据绘制建筑物外立面辅助参考线。通过该辅助参考线，地面控制站可获知飞机当前朝向方位与建筑物外立面参考线、外立面参考线垂直法线的夹角关系。如图3 所示，虚线段“喷嘴指向方位”代表飞机当前朝向方位，虚线段“人工绘制辅助线”代表建筑物外立面参考线，灭火作业点为预期到达的作业方位。
图3 灭火作业平面示意图
3.4 获取瞄准方位夹角
进行辅助瞄准计算的第一步需获取视场内瞄准方向与无人机当前朝向的方位夹角。机载摄像头此时为前向拍摄模式，根据机载摄像机镜头的水平及垂直可视视场角（∠FOV）度数（∠FOVx水平视角、∠FOVy垂直视角），结合已知摄像头回传的图像分辨率水平及垂直像素点P（Px、Py），当操控员在地面控制站人机交互界面实时图像传输画面中点击需要瞄准的灭火位置时，地面控制站记录交互界面上位置点M坐标，得出M点距画面中心O点的像素距离X′与Y′，根据三角形性质结合已知图像分辨率P 与可视视场角∠FOV 可得∠M，最终可得图像画面中瞄准方位与摄像机CMOS 传感器的水平夹角∠C（图4）。受限于摄像机有限视场角范围，获取瞄准方位夹角仅适用于可被摄像机拍摄到的图像内点位。
图4 摄像机视场示意
3.5 计算瞄准点位与无人机距离
除获取瞄准方位夹角以外，还需根据无人机环境感知数据计算无人机当前位置距离瞄准点位（起火点）的实际距离。根据前述系统构建中内容，无人机搭载了机载前向测距雷达，操作员可通过机载雷达读数在地面控制站直观地识别障碍物或建筑外立面轮廓，并以此在地面控制站的地图仿真界面中根据建筑外立面轮廓设定该建筑的辅助参考线。则地面控制站可通过辅助线、夹角∠C计算无人机当前经纬度坐标与瞄准目标点的水平距离关系S（图5）。
图5 灭火作业点移动示意图
以下给出一种通过地面控制站软件接合内置地图经纬坐标系计算距离S 的方法。以无人机当前位置作为坐标系原点的情况下，操作员在地图设定的辅助参考线可表示为（结合地图经纬度，则系数均为已知状态）：
而根据∠C（水平）可得在该无人机坐标系下，灭火目标点与无人机当前位置连线的表达为（系数已知）：
联立方程可得灭火目标点在无人机坐标系下的水平坐标T（xT，yT）：
则该距离S为：
3.6 换算无人机位置控制指令
结合无人机搭载喷管的有效作业射程，可设定无人机预期灭火作业点垂直向距瞄准目标点（起火点）的距离为D（图5）。此时瞄准目标点、灭火作业点、无人机当前位置在水平面内形成了一个三角形，且灭火作业点与瞄准目标点的连线位于建筑外立面辅助参考线的垂直法线上。已知灭火目标点与无人机水平距离S、预设灭火距离D、∠C（水平），根据三角函数可计算无人机距离灭火作业点所需最短移动距离，并依照该最短移动距离换算为无人机坐标系下拆分位移量x，y。地面控制站通过向飞行控制系统发送位移指令（x，y）使得无人机自动移动至灭火作业点，调整偏航角度指向建筑外立面辅助参考线的垂直法线，且使得无人机悬停在最佳作业距离待命。辅助瞄准及计算流程如图6 所示。
图6 计算流程
3.7 开始作业
操控员通过地面控制站击发机载水平发射灭火装置，利用前部的灭火弹将房间从外部打开缺口，并让灭火弹体在房间内引爆，进行小范围扑灭。使用水平高压喷管将机载灭火剂由缺口处灌入房间，对房间进行扑救，喷洒完毕后空机返回。
使用该大载重灭火型消防无人机（型号EH216－F），装载100 kg水基灭火剂，结合上述地面站系统辅助瞄准方法，协同改进了机载系统及地面控制站的配套功能［15］，并在实际试验中取得了良好的瞄准效果。经测试，EH216－F从瞄准操作的动作开始到无人机移动至最佳灭火工作点的平均时长约为15 s，无人机到位后喷洒作业效果能够覆盖试验场地房间窗口（图7）。操作员通过视频信息实时监测火场信息，经几步简单点击操作节省了作业过程中大量宝贵的调整时间，降低了操作员在操作大载重无人机时的工作负荷，提升了灭火型消防无人机在运行时的安全性及可用性。试验证明了该消防无人机地面站辅助瞄准方法总体架构设计合理，操作功能正常［16］。
图7 地面控制站界面及作业试验
本文根据高层建筑灭火救援的痛点与难点，总结消防无人机存在的应用问题：灭火救援的现场作业使用遥控器进行瞄准操作，通过实时图像与目视对比进行微调，全过程均极依赖操作员的个人经验，面对高层建筑火灾现场易产生偏差。据此本文提出了一种通过地面控制站辅助瞄准方法的设计研究。构建一种无人机系统，并利用环境感知系统与地面控制站的功能结合，根据摄像机成像原理通过地面控制站人机交互界面中对瞄准方位的记录，推算瞄准方位夹角；
操作员在地面控制站观测环境感知数据并设定建筑外立面辅助线，由地面控制站计算瞄准点位与无人机当前距离；
根据无人机喷洒作业有效距离换算无人机最佳作业点位，并将控制指令发送至无人机飞控系统。在实机验证试验中实现了良好的瞄准效果，整机平均移动时长15 s。有效节省了作业调整时间，降低操作人员工作负荷，取得令人满意的结果。