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1、 多旋翼无人机在消防应急系统中的应用浙江安正科技股份有限公司2015年06月目录1.项目概述31.1.地理概况31.2.需求背景31.3.设计思路41.4.系统组成42.设计方案62.1.设计概述62.2.系统框图73.设备介绍83.1.“焕影”KWT-X6M/X6L六旋翼无人机83.1.1.主要特点93.1.2.系统组成153.1.3.设备图片简介153.1.4.连接外部接口183.1.5.技术参数183.2.无人机图传地面接收终端283.2.1.产品功能及特点293.2.2.连接外部接口303.2.3.技术参数303.2.4.接收终端天线典型安装324.系统配置354.1.无人机配置354
2、.2.图传接收地面终端配置351. 项目概述1.1. 需求背景随着无人机技术的日趋成熟和航空摄影技术的进一步拓展，我国民用无人机应用领域日益广泛，包括：摄影测量、应急救灾、公共安全、资源勘探、环境监测、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、林火病虫害防护与监测等。当前，我国消防部队面临着日益复杂的灭火救援和社会救助形势，对各类地震救援、抗洪抢险、山岳救助及大跨度或高层火灾等情况，传统现场侦查手段的局限性已日益凸显。如何有效实施消防预警和现场侦测，并迅速、准确处置灾情显得尤为重要。我国无人机应用技术及系统解决方案的成熟运用，使得无人机平台结合视频、无线图传等监控及传送设备，通过空中对复杂地形和
3、复杂结构建筑进行火灾隐患巡查、现场救援指挥、火情侦测及防控成为消防部队新的选择。结合消防部队的实战需求，无人机的运用可以解决以下四方面的问题：（一）灾情侦查。当灾害发生时，使用无人机进行灾情侦查，一是可以无视地形和环境，做到机动灵活开展侦查，特别是一些急难险重的灾害现场，侦查小组无法开展侦查的情况下，无人机能够迅速展开侦查。二是通过无人机侦查能够有效提升侦查的效率，第一时间查明灾害事故的关键因素，以便指挥员作出正确决策。三是能够有效规避人员伤亡，既能避免人进入有毒、易燃易爆等危险环境中，又能全面、细致掌握现场情况。（二）监控追踪。无人机的作用不仅仅局限在灾情侦查。消防部队所面对的各类灾害事故现
4、场往往瞬息万变，在灾害事故的处置过程中，利用无人机进行实时监控追踪，能够提供精准的灾情变化情况，便于各级指挥部及时掌握动态灾害情况，从而作出快速、准确的对策，最大限度地减少灾害损失。（三）辅助救援。利用无人机集成或者灵活携带关键器材装备，能够为多种情况下的救援提供帮助。一是为救援开辟救援途径。例如水上、山岳救援中，现有的抛投器使用环境和范围均有很大的局限性，并且精准度差，利用无人机辅助抛绳或是携带关键器材（如呼吸器、救援绳等），能够为救援创造新的途径，开辟救生通道，并且准确、高效率。二是集成通信设备，利用无人机担当通信中继。例如在地震、山岳等有通信阻断的环境下，利用无人机集成转信模块，充当临时
5、转信台，从而使得极端环境下建立起无线通信的链路。三是利用无人机进行应急测绘。利用无人机集成航拍测绘模块，将灾害事故现场的情况全部收录并传至现场指挥部，对灾害现场的地形等进行应急测绘，为救援的开展提供有力支撑。（四）辅助监督。利用航拍对高层及超高层建筑实现全面实时的监测、及时发现火情隐患、消防现场火情实时控制、建筑消防检查或现场火情图像存储、可将空中监控视频实时接入其他安防或消防监控系统等。1.2. 设计思路以某地消防支队建设为例，为了较好的利用无人机的优势，提高消防工作效率，设计思路如下：（1） 在某消防支队管辖范围内出现火情的地区，应急指挥车赶赴现场附近，无人机起飞侦查火情，图像实时传输至操
6、控手监视器、指挥车及指挥中心（2） 为方便控制操作无人机及远距离接收实时航拍画面，在辖区内制高点架设无线遥控天线及图传接收天线，大大提高无人机的操控距离及无线图传距离（3） 无人机拍摄的画面无线传输至辖区内制高点，然后通过光缆等专网传输至指挥中心1.3. 系统组成无人机：包括无人机机体、摄像云台组件、无线图传发射套件、手动控制设备、地面站等应急通信车：无线图传接收终端1.4. 技术优势由于采用了技术先进的飞控平台及前后台视频监控传输系统，配合完善的飞行及地勤保障系统，无人机可对地面实施完备的长时间空中监控，从而实现较低的综合成本对传统手段无法涉足的区域进行实时监控和辅助救援，其智能化和先进性突
7、出体现在巡查路径规划、智能分析、定点持续监控、火情报警等，并且在制定应急预案、建立快速响应机制、现场火情存档与取证等方面充分发挥技术防范手段的重要作用。其技术优势有：（一）机动灵活。小型无人机重量轻，依托飞行控件就可以对其进行操控，只需要1-2人就可以完成此类操作任务。在道路不畅，交通中断的情况下，徒步就可以携带至灾害事故现场，且起飞条件很简单，对地形无要求，加上无人机携带方便，所以具有很强的灵活性。此外，无人机的飞行速度易于控制，转弯半径小，机动性好，可以灵活机动控制飞行方向，机载摄像头也可以跟踪拍摄对象；无人机还能快速到达指定地点，反应能力快捷，对环境和气候条件也有很强适应能力，在2014
8、年西藏塔尔钦“神山”保障测试中，无人机在6级风力下完成飞行任务，受阴雨天气等条件限制比大型载人飞机要小的多；其起飞条件只需要几平米空地，周围无突出障碍物即可，在低空作业时，受气候条件限制非常小，获取影像的速度非常快，可在10公里范围内稳定可靠发挥侦查作用。（二）视野全面。无人机通过无线技术可以实现超视距控制，从而具有很全面的视野，依据现场需求，可以从不同角度、不同的距离在不同的光线条件下进行作业。既可以实现在高空对目标进行全局性拍摄，也可以调整距离和角度，按需抓拍对现场决策有重要帮助的关键因素。通过远程控制无人机和摄像头，可以根据实际需求实时采集并传输图像，尤其是在低空飞行时，无人机跟踪拍摄能
9、力极强，使用机载摄像头获取的图像分辨率很高，如果配备热视等夜视功能摄像，其收录的视频将更加全面。这样的方式为实现灾害事故现场实时空中监控提供了有力保证，能有效提升消防部队抢险救援的侦查能力。（三）操作简单。从技术层面上看，无人机的远程视频传输与控制系统通过网络和接口接入地面站，通过光纤接入指挥中心，因此，只需通过遥控摄像机及其辅助设备（镜头、云台等），就能直接观看无人机的摄像头实时视频。通常，用户只需通过遥控器来实现无人机的所有动作，通过远程视频传输与控制系统对现场情况一目了然，以实现远程、方便的全方位监控；当客户端（包括PC和手机）在接入公网后，用户可以通过PC、平板电脑或者是手机等多种形式
10、的载体实现对无人机的控制。从应用层面上看，无人机的实际操作也并不复杂，只要掌握好飞行、音视频控制和其他兼容模块的操作，便能发挥效能。（四）安全可靠。无论面对暴雨、高温、台风、泥石流等恶劣的天气环境；或者易燃易爆、塌陷、有毒等严重事故灾害现场；抑或山岳、峡谷、沟壑等极端地理环境，无人机技术能有效规避传统灭火救援行动中存在的短板，可确保消防官兵的自身安全。并能通过对现场情况的跟拍、追踪，为事故处置的指挥决策提供安全可靠的依据，能够最大限度地控制灾情发展，减少灾情的损失，减少人员伤亡。（五）实时图传。无人机在对灾害现场拍摄的同时，利用COFDM无线图传技术，实时传输高清图像至地面接收终端，传输视频高
11、达1080p画质。由于COFDM技术具备广播式传输的特点，无人机视频可同时被指挥车、指挥中心、操控手微型便携终端等多终端接收。2. 设计方案 2.1. 设计概述主要实现功能如下：l 灾害现场空中拍摄及录像l 现场图像实时传输至地面应急指挥车 功能实现框图如下所示：功能示意图如上图所示，执行任务时，应急车抵达事件现场附近，无人机起飞抵达现场，航拍画面通过无线图传传输至应急车及制高点基站，基站接收图像接入光缆等有线网络链路向上传输至上级指挥中心。制高点基站安装有图传接收天线的同时，安装有无线遥控天线，用以在指挥中心对无人机的远距离手动操控。2.2. 系统框图无人机典型应用系统框图2.3. 系统特点
12、l 制高点基站安装无线图传接收天线及无线遥控天线，提高无线图传接收范围及遥控范围l 无人机可悬停拍摄，续航可达40分钟以上l 无人机高清无线图传，广播式传输，包括操控手持接收端、基站接收端、应急车接收端等多终端同步接收l 无人机摄像云台，选用高清摄像机l 防雨云台及机体设计，可全天候飞行3. 设备介绍3.1. “焕影”四旋翼无人机“焕影”无人机系统是一套基于先进的四旋翼无人机平台搭载机载型高清无线图像传输系统的无线移动视频采集系统及紧急救援系统。通过“焕影”无人机系统针对地面固定监控点位无法监控到的区域进行有效扩展，形成一个空中、地面全方位立体式的监控系统。同时，该无人机还可进行紧急小型救援物
13、品投送，为救援行动提供辅助性帮助，使得该无人机成为一个综合性小型救援平台。KWT-X6L大型、KWT-X6M中型无人机外观（白色）KWT-X6L大型、KWT-X6M中型无人机外观（黑色）无人机视频空中采集系统采用全球最先进的无线控制技术、无线视频传输技术，将无线控制技术与无线视频传输技术无缝结合，实现了实时将空中视频图像传输到地面接收端，无人机在空中巡航、航拍的画面通过接收端接入地面固定光缆接入点，进而实现向上级指挥中心的实时画面传送。无人机视频采集系统其组成分为两大部分，即：飞行控制部分和视频采集传输部分。飞行控制部分主要包括：空中飞行体、飞行控制接收模块、飞行动力模块、控制接收天线。视频采
14、集传输部分主要包括：防雨吊舱、航拍摄像机、无线视频传输模块、发射天线、地面接收部分。由于该机载型图传系统采用了先进的COFDM多载波调制技术，内置了基于H.264 Highlevel编码格式的编码模块，和无线应急布控系统及高清无线单兵视频采集系统采用了想用的原理和技术，故该多套系统的终端可以互相兼容使用，安装调试方法也基本一致。3.1.1. 主要特点系统特性： 四旋翼设计，机臂上翘，保障飞行平稳性 全碳纤维机身，刚性好，重量轻 模块化及机臂快拆结构设计，方便携带运输，展开迅速，组装时间不超过1分钟 超长的续航时间及飞行距离 上翘机臂设计提供优秀的抗风能力，增加飞行平稳性 卓越的动力冗余，可在高
15、海拔处正常工作 Full HD全高清数字图传系统，支持1080p图像实时传输 高度集成防雨云台套件设计，可雨中飞行 智能飞控系统，支持手动精准操控及自主飞行模式飞行特性： 垂直起降，不受场地限制 传统遥控器手动精准控制 一键起飞，一键降落，自动返航 航线规划，自主飞行 即点即到，指点飞行 飞行数据实时监测环境适应性： 适用高海拔5000米以上地区使用 环境温度低于-30下可正常使用 抗风能力不低于10m/s 平均无故障时间350小时 常温下飞行续航时间长，不少于40分钟视频传输特性： 空中实时高清视频传输至地面 全高清1080p/i视频传输，分辨率1920*1080 采用广播级H.264 Hi
16、ghlevel视频编解码方式 无线传输采用先进的COFDM调制方式，具有卓越的绕射性能 兼容MV2025TBME-AG/1080i、MV2025TJ20E/1080i等高清单兵、车载图传系统手持式接收机： 手持式接收机专门为无人机图传系统设计，可安装在遥控器上，使得飞控手在操控飞行器的同时可以实时查看镜头视角，更加准确的追踪拍摄目标多类型防雨云台套件： 昼光防雨自稳云台，专业卡扣式设计，无需工具轻松拆装，具有专业自稳装置，可安装多种GoPro型号运动摄像机，可拍摄4K高清视频，画面清晰稳定地面站软件功能特点SPELL GCS地面站软件基于Windows平台，可运行在便携式笔记本或专用手持式控制
17、器上，主要用途是对无人机进行航点规划以及飞行控制，也可用于几乎所有无人平台中，如地面机器人等。l 实时视频显示，同时查看Google earth地图，定位无人机位置l Google earth全屏显示，精确设置航点任务并支持实时修改航点l 支持一键起飞、一键返航、一键降落、紧急降落等快捷键，操作界面友好l 飞行轨迹/关键事件SD卡存储以及信息回放再现无人机飞行过程l 支持参数配置，如语音报警配置、设置录像文件路径等l 支持Joystick手柄控制软件实时显示特性视频界面实时解码显示无人机飞行过程中的航拍图像，为用户提供高清的远程现场图像，方便飞手实时了解现场情况，指挥控制飞机，实时视频界面有以
18、下功能：l 地图显示l 仪表动态显示无人机飞行姿态l 视频录像，视频抓拍l OSD显示无人机的飞行速度、高度及飞行时间等信息地面站航线规划航点任务规划界面为用户提供Google earth地图，可提前预设航点到飞控，实现超视距远程飞行。航点任务可实时编辑修改。航点规划主要提供以下功能：l 单航点规划和多航点规划两种模式l 实时跟踪无人机位置l 定位飞手位置，地图切换到以飞手为中心的视图l 飞行任务暂停，实时修改任务3.1.2. 系统组成无人机系统包括：飞行体、飞行控制接收模块、飞行动力模块、控制接收天线、空中视频采集摄像机、无线视频传输模块、无线视频传输发射天线。接收终端：便携式多功能手提箱高
19、清接收机、地面站管理平台3.1.3. 设备图片简介l 前端飞行机体如下图l 微型图传接收机如下图l 空中无线视频发射前端主机如下图碳纤维材质高清机载型图传发射机发射机尺寸图3.1.4. 技术参数3.1.5.1.KWT-SPELL-Z4M四轴旋翼无人机技术参数机架参数机架结构材质高强度碳纤维，机体防雨设计展开及拆收方式折叠式展开设计电机轴距840mm飞行参数标准起飞重量6.0Kg最大起飞重量8.0Kg负载重量0-2.5Kg悬停（续航）时间40min(6.0Kg)最大抗风能力10m/s最大平飞速度15m/s最大飞行高度1000m（平原）最大工作海拔5000mGPS悬停精度垂直方向0.5m水平方向2
20、.0m云台参数工作电流稳态电流：0.3A (12V) 动态电流：0.6A (12V)输入电压3S6S(12V26V)角度控制精度0.1最大可控转速横滚方向(ROLL)：30/s俯仰方向(TILT) ：130/s可控转动范围横滚方向(ROLL)：39俯仰方向(TILT) ：-130+50昼光摄像机参数传感器1/2.5英寸，CMOS像素500万视频输出格式19201080 p30光圈F1.8F2.2焦距4.5mm45mm可视角度550（水平）最小照度6Lux（F1.8/19201080）功耗0.3 W自驾仪参数 支持遥控器PCM/2.4GHz控制模式手动模式、姿态模式、GPS模式遥控器控制距离0-
21、3公里安全锁模式掰杆启动GPS悬停精度垂直方向: 0.5m水平方向: 1.5m失控保护保护自动返航降落低电压保护模式一级保护：LED指示灯报警；二级保护：LED报警并自动返航降落地面站参数支持平台Windows XP、Windows 7、Android数传电台频率900MHz最大通讯距离5-10Km 控制模式点击模式、航线规划、自主飞行3D地图视角支持一键起飞/降落支持实时信息显示GPS坐标指示电量消耗当前电流飞行高度飞行状态GPS星数姿态角震动系数晃动系数飞行时间动力电压物理特性工作环境温度-2060工作环境湿度2080%存储环境温度-1050存储环境湿度2070%重量（双镜头）52dBc加
22、密方式AES/ALLTECH Basic Scrambling调制方式COFDM星座调制QPSK，16QAM，64QAM可选前向纠错码率1/2，2/3，3/4，5/6,7/8可选载波模式2K保护间隔1/32，1/16，1/8，1/4可选功率平坦度全频段1dB，8MHz内0.5dBRS232控制接口标准RS232电平，9600，8，N，1RS232数据接口标准RS232电平，支持1200115200CVBS视频白条幅度（mV）p-p700视频同步幅度（mV）p-p300信噪比（不加权）dB60斜场信噪比（不加权）dB56模拟音频平衡音频输入幅度Vmax=15V非平衡音频输入幅度Vmax=3Vpp
23、SDI标准SMPTE 425M (Level A and Level B), SMPTE 424M, SMPTE 292, SMPTE 259M-C SMPTE 272M SMPTE 299M输入幅度 mV80080HDMI版本HDMI 1.3HDCP协议支持编码支持音视频速率64, 96，112，128，160，192，224，256，320，384Kbps可调音频编码模式MPEG1 Layer2视频分辨率最低720480/60i(720576/50i )最高19201080/60P自适应视频编码方式H.264视频速率500kbps-16.68Mbps自适应格式YCbCr4:2:0环境工作温
24、度-2555存储温度-40703.1.5.3.高清全功能便携式接收机参数电源部分工作电压AC220V20V；DC12V工作电流3.5ADC12.5V 图像接收部分输入频率范围170MHz860MHz 射频带宽1.5/2/4/6/7/8MHz接收灵敏度-96dBm-20dBm8M,-106dBm-20dBm2M解调方式COFDM解密方式ABS/ALLTECH Basic Scrambling 输出视频制式PAL/NTSC视频解码标准兼容H.264/MPEG2，双解码自适应接收音频解码标准ISO/IEC11172-3 MPEG-1、ISO/IEC13818-3 MPEG-2（Layer I&II)
25、视频输出接口CVBS2,HDMI/DVI1，色差分量1,SDI1（定制），ASI1（定制）视频图像（MAX）1920108060i/50iCVBS标清视频输出输出视频幅度11.2Vp-p75视频白条幅度mV650720mV视频同步幅度mV260275mV模拟视频幅频特性dB04.8MHz-0.51.55.5MHz-4.01.5模拟音频输出左右声道，立体声HD-SDI高清视频输出标准SMPTE 425M (Level A and Level B), SMPTE 424M, SMPTE 292, SMPTE 259M-C SMPTE 272M SMPTE 299M输入幅度 mV80080HDMI高
26、清视频输出版本HDMI 1.3HDCP协议支持色差分量输出 YPbPr720P，YCbCr1080iRS232控制接口标准RS232电平，9600,8，N,1RS232数据接口标准RS232电平，支持1200115200录像部分视频制式PAL视频图像尺寸2CIF/4CIF，HD1080i(19201080),HD720P(1280720)图像亮度调节范围1255 默认128图像对比度调节范围1127 默认64图像饱和度可调节范围1127 默认64音频采样频率8KHz音频数据格式ADPCM,G.711 A/U,G.726，AMR,AAC音频增益调节范围0100USB接口USB2.0，可挂载U盘，
27、 可直接录制HD1080i/P的高清码流媒体录像硬盘SD卡、U盘、移动硬盘三种方式，可直接录制HD1080i/P的高清码流网络接口10/100Base-T自适应以太网，RJ45，可输出HD1080i的IP码流环境工作温度-2555存储温度-4070外观特性外观尺寸600mm391mm230mm设备重量10kg电池重量1.1kg颜色黑色4. 系统配置无人机配置以下为单架无人机标准配置序号名称型号单位数量备注1KWT-Z4M无人机主机台1四旋翼2高清彩色摄像吊舱套1含GoPro摄像机、发射机、自稳云台等3动力锂电池块24遥控器FUTABA台15微型手持式高清图传接收机台16便携式图传接收箱台17地面站900MHz数传电台台18无人机地面软件套19包装箱套1
