城市突发性公共事件中多无人机协同监测关键技术研究
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作者:肖祖铭
摘 要：城市中的基础设施建设日益密集，虽然便利了经济发展和日常的生产生活，然而也给城市公共安全、市政、交通等造成了一定的安全隐患和脆弱性。城市突发各类公共事件的过程中，应该采取无人机协同监测的方式，及时发出相关的预警信息。文章重点分析了城市突发性公共事件中多无人机协同监测的关键技术。
关键词：城市突发性公共事件;多无人机协同监测;关键技术
无人机在监测和处理各类突发性公共事件时，主要发挥了下列作用：首先它能够快速响应，及时到达公共事件的发生现场，及时进行作业。其次，它能够充分而完整地采集现场的各种数据，向指挥中心传输现场的各种音频、视频、文字和图像等各类信息，让指挥者做出正确的决策和判断。第三，它可以发挥自身的通信中继功能，及时恢复公共事件发生现场的局部性通信环境。第四，对事件的具体发展态势进行跟踪，协助指挥中心持续地处理指挥公共事件的相关问题。第五，它能够参与到灾后重建过程中，为其提供气象、地理、人口分布等多方面的信息。
1 研究思路以及研究内容
本课题把景德镇学院之前研发出来的2-3架某型旋翼无人机当作科研平台，全方面采取嵌入式电脑技术以及数据链系统、导航控制系统、任务规划系统以及GPS设计飞行姿态控制系统。充分地发挥电脑视觉处理技术的优势，实时在线感知多无人机的飞行环境状态，多无人机在飞行过程中自主规划协同航迹，独立地执行飞行任务，安排多无人机针对火灾以及突发事件进行应急监测，开展全方位的自主飞行试验，以使多无人机在面临复杂的城市环境下，做好协同应急事件的应急监测、救援、指挥等多种任务。
本文的重点研究内容如下所示。首先，笔者采取了多无人机协同灾害应急监测飞行控制策略，本课题的相关研究采用了景德镇学院研发的某型旋翼无人机，建立以及设计多无人机旋翼式协作平台，设计了针对性的研制飞行控制电脑系统，建立了机载多传感器系统，组建了地面站系统，采取了协同飞行控制策略。其次，使用多无人机，研究了协同灾害应急监测的相关任务分配技术。它在协同灾害应急救援的过程中，最核心的任务是跟踪以及监测突发事件中的相关环境。从整个过程来看，多无人机要组织自己的队形，从而达到上述监测目标。分析了协同任务分配决策的相关算法，协同报警确认技术以及协同探测算法。再次，在多无人机协同平台上，使用多无人机，开展了验证了协同灾害应急监测的相关实验。借助多无人机协同探测技术，演示和验证了应急救助、监测地震、火灾等各类突发事件的实验。
2 多无人机协同监测技术
从城市的复杂环境来看，单架无人机平台只能发挥非常小的效能，结合突发公共灾害的应急指挥以及监测，单个无人机根本无法持续地检测大面积的区域。单架无人机本身挂载的传感器缺乏良好的性能，一般情况下只能得到有限范围的相关目标信息。和单架无人机相比，多无人机协同执行监测任务，优势是非常显著的。它可以从整体上强化无人机的配合，进而增强它完成监测任务的水平和质量。其次，它能够共享各自的信息以及资源，提升执行任务的水平和能力。第三，多无人机协同执行任务，可以压缩完成任务所需要的时间，提升执行任务的实效性。第四，在某架无人机发生故障的情况下，能够重新分配监测任务，提升了任务成功的可能性。
3 自主任务规划系统设计
多无人机协同飞行中，应该具备较强的实时在线重新规划以及规划的能力，如此以来它才可以更有力地应对复杂的城市环境。这也是多无人机自主飞行控制系统务必要具有的性能，事实上它是多无人机协同飞行过程中必不可少的决策过程。
系统应该按照在线探测到的城市空中环境的具体变化，近乎实时或者实时地进行修改、规划、决策系统的相关目标以及任务，独立地生成能够完成目标的相关飞行轨迹，按照可行性较强的飞行轨迹和当前飞机的具体状态，产生相应的调度以及制导指令，对飞机精确跟踪产生的轨迹进行控制，以完成自主决策系统规定的非性任务。
4 多无人机协同区域监测技术设计
本课题的主要背景是城市复杂化的客观化环境下，以多无人机对这些区域进行协同监测问题为目标，在融合多源图像信息的情况下，把协同搜索策略引入到模糊聚类方法中，设计的多无人机协同搜索策略以模糊聚类基础。这种协同搜索策略是以空间分解以及空间缩减为基础，它的主要思想是，在多无人机协同搜索方面引入模糊数学，把目标区域的相关单元格以空间位置以及关联寿命作为相应的特征矢量，在此基础上开展相应的聚类划分，它削减了无人机的实际转场次数，压缩了搜索代价的无功消耗，搜索性能得以提升。
5 旋翼式多无人机城市复杂环境突发事件应急监测技术研究
本项目也利用多无人机，针对城市复杂环境下发生突发事件的情况，安排无人机进行自主飞行试验，以进行应急性监测。
课题组采取了多无人机携带摄像机以及照相机，开展相应的航空摄影，采集相关的环境图像，而且可以实时监控地面环境，借助现代图像处理技术，跟踪以定位突发事件的具体发展态势。其次，可以采取多无人机中的摄像头、环境传感器化学物品检测仪以及可燃气体传感器等，探查突发事件环境区域的环境参数、地形、特定化学气体的浓度以及可燃气体浓度等，而且能够回传相關数据。
参考文献：
[1]林林.基于协同机制的多无人机任务规划研究[D].北京邮电大学，2013.
[2]丁臻极.城市环境下多无人机应急救灾任务分配技术研究[D].南京航空航天大学，2016.
[3]肖祖铭，郭瞻.国内多无人机协同监测技术综述[J].计算机产品与流通，2018（8）.
作者简介：肖祖铭（1978-），男，汉族，江西万安人，硕士，副教授，研究方向：电子、通信。
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