多旋翼消防无人机设计探究

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3.2 飞行器平台 飞行器平台一般包括飞行器机体装置、动力系统和飞
行控制系统三大部分。 飞行器机体装置一般包括 ：机架 、起落架 、涵道和云
台。机架是所有设备挂载的主体 ，设计时需要考虑材料、 强度、刚度等性能 ；起落架是多旋翼无人机起飞降落时和 地面接触的机械结构 ，起到结构支撑和能量缓冲的作用 ； 涵道主要起到保护桨叶和提高升力效率的作用 ；云台主要 负责飞行过程中的相机控制 ，确保光轴变化平缓和抖动减 少 ，提高视频输出质量。
（5）消防无人机各功能组件模块化 、通用化和规范化 ， 有利于无人机的故障诊断和快速维修 ，可以提高现场使用 时遭遇突发情况的应急能力。
（6）在进行消防无人机设计过程中 ，要秉承保护环境 的设计原则 ，尽可能地采取环境友好型技术。 3 多旋翼无人机系统组成 3.1 系统总体组成
如图 1 所示 ，多旋翼无人机系统一般包括飞行器平 台、地面站和载荷吊舱三大部分。飞行器平台包括飞行器 机体装置、动力系统以及负责姿态控制和路线导航的飞行 控制系统 ；地面站是无人机的地面控制中心 ，承担着与飞 行器平台构建信息数据链路 、处理和显示飞行指令和数 据、对飞行器实时测试和控制的任务 ；载荷吊舱是根据不 同的作战任务而设计的专业化的机载任务装置 ，通过机械 连接装置与无人机组合来挂载任务作业单元。
多旋翼无人机系统飞行Βιβλιοθήκη 平台地面站载荷吊舱
飞
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图 1 无人机系统总体架构
基 金 项 目 ：公安部竞争性遴选项目（2 0 1 6 J S Y J D 0 4）
消防科学与技术 2018 年 6 月第 37 卷第 6 期
电脑 XF-D 排图文
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校对
多旋翼消防无人机设计探究
消防设备研究
郐士超，王文青 (公安部沈阳消防研究所，辽宁 沈阳 110034)
摘 要 ：简要分析无人机在消防领域的应用现状，总结多旋 翼消防无人机的一般化特点。结合多旋翼无人机常规组成结构， 从结构选材、结构设计、重量设计、信息数据链路、飞行稳定性及飞 行可操纵性、飞行试验等方面浅析多旋翼消防无人机的设计原则， 并对消防无人机未来的发展方向提出展望。
关 键 词 ：多旋翼；消防无人机；设计原则 中图分类号：X924.4，TU998.13，V279 文献标志码：A 文 章 编 号 ：1 0 0 9 - 0 0 2 9（2 0 1 8）0 6 - 0 7 9 1 - 0 3
无人机，实际上是“无人机系统”的简称，英文为 UAS （Unmanned Aircraft System）。 无 人 机 系 统 是 指 由 无 人 机 飞 行 器 平 台 及 配 套 的 载 荷 吊 舱 、地 面 站 等 相 互 联 系 、相 互依存的组成部分构成的有机系统。自 1917 年世界上第 一架无人机出现以来 ，无人机技术不断发展 ，21 世纪将是 无人机发展最快的时代。无人机技术在各领域都得到了广 泛应用 ，多旋翼无人机是无人机体系中小型化的一类 ，以 其 垂 直 起 降 、定 点 悬 停 、机 动 灵 活 和 容 易 维 护 的 特 点 在 消 防领域具有广阔的应用前景。多旋翼消防无人机的设计， 需要在无人机常规设计方法的基础上进行无人机消防应用 专业化的设计 ，以便最大化实现消防现场的作战效能。 1 无人机在消防领域的应用现状
（3）消 防 无 人 机 需 要 具 有 使 用 维 护 保 养 方 便 的 特 点 。 消防无人机在灾害事故现场使用便捷 ，一是可以提高作战 效率 ，二是可以降低日常的训练难度 ；维护保养简单则是 消防无人机长使用寿命的保障。
（4）优良的经济性和高性价比将降低消防无人机的制 造成本 ，对于其大面积推广具有重要的现实意义。
针对消防领域的应用 ，多旋翼无人机应该具有如下 特点：
（1）尽可能减少机身重量 ，提高续航能力。重量设计 是消防无人机设计中十分重要的内容 ，在设计之初对重量 进行合理规划将是高性能消防无人机产生的基础。
（2）提高防护性能 ，增强突防能力。针对复杂多变的 消防现场 ，无人机的自身防护性能将是无人机现场生存能 力的关键。
随 着 无 人 机 技 术 的 不 断 发 展 ，消 防 无 人 机 在 灾 害 事 故 现场侦察、森林火灾消防监控和危险化学品场所救援等方 面得到了广泛的应用。在地震、泥石流等广域灾害现场 ， 消防无人机通过搭载高空侦察吊舱可以实现对现场快速、 全面的信息获取 ，对现场应急救援具有重要意义 。森林火 灾具有发生偶然性大、火灾危险性强、作业范围广、防控难 度大的特点 ，应尽早地锁定火源位置是森林火灾消防工作 的重点 ，通过无人机进行空中图像侦察能够有效地解决火 源定位的难题 ，推动森林火灾消防工作的开展 。易燃易爆 危化品场所具有火灾危险性大、人员侦察难度高的特点 ， 无人机以其优越的突防能力能够很好地担负危险化学品 场所的火情侦察任务 。目前 ，国内外无人机技术的发展非 常迅速 ，但研究焦点大多是集中在图像侦察等常规应用 ， 面向消防领域的针对性研究鲜有发现 ，应用在消防领域的 无人机专业化设计也十分匮乏。 2 多旋翼消防无人机的特点
动力装置与能源通常包括 ：螺旋桨 、电机 、电调和电 池。螺旋桨是直接产生升力的机械构件 ，在进行螺旋桨设 计时需要考虑弦长 、转动惯量 、安全转速 、材料等设计要 素 ；多旋翼无人机系统中电机通常是无刷直流电机 ，无刷 电机可以减少电火花对无线设备的干扰 ，选择无刷电机时 需要考虑尺寸、标称空载 KV 值、最大瞬时电流和最大持 续电流等参数 ，电调是电子调速器的简称 ，主要负责调节 飞控系统送出的 PWM 信号来实现对电机的调速，在进行 电 调 的 选 择 时 需 要 考 虑 电 流 、刷 新 频 率 以 及 与 电 机 的 匹 配 性。电池是多旋翼能量的来源 ，常用锂电池和镍氢电池 ， 选择电池时需要考虑电压、容量和放电倍率等参数。