作品名稱：城市高層搜救無(wú)人機(jī)
學(xué)校名稱：廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院
參賽隊(duì)伍：城市高層搜救無(wú)人機(jī)研制團(tuán)隊(duì)
參賽學(xué)生：陳潔 李雷 陳進(jìn)穩(wěn)
指導(dǎo)老師：陳友鵬 羅小軍
一、城市高層建筑搜救無(wú)人機(jī)的研發(fā)意義
隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，密集的城市人口與公共服務(wù)設(shè)施在支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也使其面對(duì)突發(fā)的災(zāi)害顯得極其脆弱，尤其是當(dāng)洪水、火災(zāi)、地震、海嘯等突發(fā)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，會(huì)給生命和財(cái)產(chǎn)安全造成重大的損失。根據(jù)近期調(diào)查顯示，僅2019年一季度各類突發(fā)自然災(zāi)害就造成139.6萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失27.9億元。
無(wú)人機(jī)作為一種由程序控制或無(wú)線遙控設(shè)備操縱的無(wú)人駕駛飛行器，可攜帶重要設(shè)備在空中完成指定任務(wù)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、外界環(huán)境影響小、靈活部署、使用和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，將無(wú)人機(jī)用于突發(fā)事故的應(yīng)急救援，能做出快速而精準(zhǔn)的響應(yīng)，從而降低突發(fā)事故對(duì)公眾造成的危害。
當(dāng)前，在無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域大部分導(dǎo)航技術(shù)僅適用于室外的空曠場(chǎng)所，室內(nèi)救災(zāi)環(huán)境具有復(fù)雜性和未知性，導(dǎo)航技術(shù)是制約無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援最關(guān)鍵的技術(shù)之一。因此，研究導(dǎo)航技術(shù)對(duì)搜救無(wú)人機(jī)的應(yīng)急救援具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
通過(guò)本作品設(shè)計(jì)、發(fā)明，可以拓展專業(yè)的深度和寬度，提高學(xué)生的自主研發(fā)興趣，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目帶動(dòng)、以研促學(xué)、以研促教，進(jìn)一步提升學(xué)生自主創(chuàng)新的精神。最終的目的是要設(shè)計(jì)制作一臺(tái)搜救無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)城市高層建筑搜救任務(wù)。
二、城市高層建筑搜救無(wú)人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理
1.作品成品整體照片
2.作品裝配機(jī)的組成
本作品的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 作品硬件組成：機(jī)架，4個(gè)螺旋槳、 4個(gè)電機(jī)、4個(gè)電調(diào)、1信號(hào)接收器、1個(gè)飛控板、1個(gè) 穩(wěn)壓模塊、1個(gè)電池。旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。如圖所示：
3.無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的飛行動(dòng)作
本作品可實(shí)現(xiàn)如下功能，飛行示意圖如下圖所示。
俯仰飛行：繞y軸旋轉(zhuǎn)，前低后高爬升,1,2轉(zhuǎn)速減小，3,4轉(zhuǎn)速增大，pitch為負(fù)；
橫滾飛行：繞x軸旋轉(zhuǎn)，2,3轉(zhuǎn)速增大，1,4轉(zhuǎn)速減小，機(jī)體右滾，roll值為正；
偏航調(diào)整：繞z軸旋轉(zhuǎn)，假設(shè)2,4順時(shí)針，1,3逆時(shí)針，當(dāng)2,4轉(zhuǎn)速增大，1,3轉(zhuǎn)速減小時(shí)，機(jī)頭右偏，yaw值為正；
垂直飛行：調(diào)節(jié)油門(mén)大小，四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速同時(shí)變大或者變小；
精確識(shí)別：本作品可借助相應(yīng)傳感器，對(duì)搜救對(duì)象進(jìn)行精確識(shí)別；
抵御干擾：本作品有較強(qiáng)的在火場(chǎng)、煙霧等環(huán)境下抗干擾的能力。
三、作品的主要創(chuàng)新點(diǎn)
1.作品的先進(jìn)性
①運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別障礙，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)救援危險(xiǎn)區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別與避讓。
②各種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)中的數(shù)字化技術(shù)CAD/CAM/CAE以及高速切削技術(shù)等，因此具有先進(jìn)性。
2.作品的創(chuàng)新性
（1）作品整體創(chuàng)新：
本產(chǎn)品通過(guò)對(duì)基本運(yùn)行載體進(jìn)行重新全面設(shè)計(jì)改造，設(shè)計(jì)自動(dòng)避障、自動(dòng)懸停、自動(dòng)識(shí)別搜救對(duì)象等以搜救為主的的無(wú)人機(jī)。
（2）作品創(chuàng)新了算法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
a.運(yùn)用雙目視覺(jué)避障法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)識(shí)別障礙物進(jìn)行躲避，自動(dòng)修正飛行航跡;
b.運(yùn)用基于V圖的飛行路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在障礙物條件下快速抵達(dá)搜救區(qū)域。目前關(guān)于無(wú)人機(jī)群路徑規(guī)劃的研究，更多局限于山區(qū)搶險(xiǎn)、地震救災(zāi)等室外領(lǐng)域，將基于V圖的路徑規(guī)劃算法用于室內(nèi)搜救等障礙物約束條件下的搜救將是新的嘗試。
四、作品的應(yīng)用發(fā)展
本作品主要以現(xiàn)有的四旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)一搜救為目的的搜救無(wú)人機(jī)，通過(guò)對(duì)基本運(yùn)行載體進(jìn)行重新全面設(shè)計(jì)改造，設(shè)計(jì)自動(dòng)避障、自動(dòng)懸停、自動(dòng)識(shí)別搜救對(duì)象等以搜救為主基本運(yùn)行系統(tǒng)，同時(shí)利用5G傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)救援場(chǎng)景的實(shí)時(shí)傳輸，為救援提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為救援行動(dòng)制定、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避規(guī)劃提供理論依據(jù)。搜救無(wú)人機(jī)在救援活動(dòng)中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，故本作品具有較高的科學(xué)性和較強(qiáng)的先進(jìn)性、實(shí)用性。
