旋翼无人机应用于林业巡检及森林防火解决方案
1. 系统简介：
林业巡检时林业管理中必不可少的一部分。目前国内大部分林业部门依旧采用人工巡检的方式进行林业巡检。而传统热弄个巡检方式，劳动强度大。效率低。且信息获取不准确，而卫星对森林资源的信息获取，由于获取周期长，时效性差，无法满足实时监控的需求。传统载人飞机改善了时效性差、人工巡检劳动强度大的问题，基本满足实时监测的需求，但在森林火灾等环境恶劣的情况下，飞行安全将会受到严重威胁，且受环境、空域等影响较大，维护成本较高，不能满足林业的日常化管理。寻求一门新的高科技手段应用大森林资源监测、森林防火及林业执法中，已成为林业管理的一项迫在眉睫、亟待解决的重大课题。
2. 系统组成：
本系统可以通过遥控器、军工级智能地面站对无人机进行飞行控制。通过高清图像传输系统可将临朐的监控视频实时传回地面站、指挥中心，第一时间为指挥部门提供有效的现场信息。同时决策者可以在云端对无人机进行控制并发布指挥命令。
3. 系统优势：
| 传统人工巡检防火灭火的痛点 | 无人机巡检防火灭火的优势 |
| 人工巡检效率低 | 无人机搭载变焦相机，可在距地300-1000米高度对地面火场实时观察 |
| 巡检人员人身安全风险系数高 | 多旋翼无人机对起飞场地要求低，无须人员爬山作业 |
| 人工巡检无法提前识别火点 | 搭载热红外相机可以提前预警 |
| 发生火灾，传统瞭望无法掌握全局，观察火势走向 | 无人机定点悬停，可全局观察火情 |
| 传统灭火指挥需要现场协调，拖延灭火进度 | 4G云平台指挥系统，没有距离限制 |
4. 行业优势：
- 森林日常巡检：
无人机搭载30倍变焦相机，可通过无人机采集林场视须音频信息,并可接入林业监控专网,与原有的监控,指挥系统结合,实现对无人机视频信号的实时查看、存储和回放,并供各级指挥机关。
- 防火灭火,应急指挥：
无人机参与森林灭火及巡检,将北斗卫星、导航系统、热成像数字图像传输技术、高清视须回传系统等高新技术综台应用于森林资源管理,配备可见光、红外探测任务载荷在距地300-1000米高度对地面火场实时观察,将获取的图像数据实时传回地面,方便地面消防部门及时应对,留火隐患勘察及扑灭,观察肉眼无法观察到火场端火、配备红外探测穿通烟探测地表温红外探测任务载荷获取火场完整的地面温度分布状态图像,并实时传回地面;可见光任务载荷获取火灾提毁评估的实时图像,亦可获取重点区域更为洋细的图像数据配备抛投装置,挂载灭火弹和小型水袋,扑灭尚未熄灭的余火,防止复燃。
- 林区测绘查：
根据需求增加森林测会功能,可增加五镜头倾斜相机,测绘摄影云台等任务载荷,布圆三维测绘软件和无人机管理平台等软件,将无人机锁意系统的数据接入林业森林防火监控网和大数据平台,实现重点目标测绘生成的三维数据导入林业防火指挥系统大数据平台,双向数据传输等功能实现图像传输、数据交互、远程控制,网络共享的功能,系统升级空间可大,升级容易。
5. 实施方案：
- 硬件设备：
多旋翼无人机：
采用碳纤维与铝合金复合结构设计,集成FC3A三冗余高可靠飞控系统高性能机载电脑、毫米波避障雷达、高效能动力系统与大带宽图数一体数据链。可搭载30倍变焦云台相机系列、红外云台相机系列、双光吊舱系列、可视抛投器系列、可视喊话器系列等多种任务载荷。
30倍变焦云台相机：
拥有30倍光字变焦,总像素高达216万,61°~2.3°视场角为视频拍摄提供更广阔的空间,能将百米之外的景物清晰星现在眼前。机身采用全铝合金结构设计,体积轻巧,结合专业的云台控制技术,稳像精度达001°,即使在最远焦段也具有优秀的稳像效果。可快速灵活挂载在无人机飞行平台。
该变焦云台相机具有以下特点:
- 搭载专业的30倍光学变焦相机;
- 机械三轴稳像;
- 领先的专用解耦姿态算法;
- 高度优化的伺服电机矢量控制算法;
- 高达8000Hz的控制频率;
- ±0.01°的稳像精度；
- 全铝合金结构设计,轻巧坚固、散热性能好;
- 支持跟踪;
- 网络视频输出接口；
- 支持快拆。
高空喊话器：
采用高音质喇叭，搭载在飞行器上可快速进入作业区域，既能实时查看现场情况，又能对现场进行喊话。适用于应急救援等现场，完成指挥任务传达。
高空喊话器具有以下特点：
- 喊话器广播距离最大500米；
- 自带高清相机,可实时查看现场情况；
- 喊话方向可操纵；
- 实时喊话,低延迟；
- 支持预景；
- 支持快拆。
可视抛投器：
选用碳纤维材质,重量轻,承载力大,支持三个挂载点,单个最大抛投重量在10kg以上,可以在视距外进行精准投放。适合于投放救援物资、消防灭弹单、电力架线、救援绳索等多种场合。
可视抛头器具有以下特点：
- 远程遥控抛投；
- 最多支持三个挂载点(可单独抛投,亦可同时抛投)；
- 单个最大抛投重量在10kg以上(还需考虑飞行器最大挂载重量)；
- 白带高清相机,可实时查看现场情况;
- 轻小化设计,重量轻；
- 碳维结构,承载力大；
- 可实现精佳抛投；
- 支持快拆。
双光吊舱：
集30倍光学变焦相机及25mm热成像相机于一体,具有优秀的成像质量,即使在夜间环境,不需要辅助光源也能拍摄到清晰的图像,它拥有30倍光学变焦,总像素高达216万,11-2.3视场角为视频拍摄提供更广阔的空间,能将百米之外的景物清晰呈现在眼前,即使在最远焦段也具有优秀的稳像效果。热成像相机搭载高性能1m非制冷焦平面探测器,多种色板模式可切换,具有优秀的成像效果。结合专业的云台控制技术,稳像精度达士0.01可应用于消防、森林公安、公安监控、搜寻救援、环保执法等多个行业。
双光吊舱具有以下特点：
- 集30倍星光级光学变焦相机和红外相机于体；
- 支持智能跟踪；
- 画中画单路视频键切换；
- 单P视频输出；
- 三轴稳像；
- 领先的专用解耦姿态算法和高度优化的同服电机矢量控制算法；
- 高达5000+的控制频率；
- ±0.01°的稳像精度；
- 支持快拆。
便携式地面站：
便携式地面站集成了控制手柄、大带宽图数一体数据链与4G数据链,配合移动设备预装的地面站应用程序,可实时操纵飞行器与飞行器所挂载的任务载荷设备,规划飞行任务,并查看云台相机所拍摄的图像。通过集成的4G数据链,可将飞行器数据和图像实时传送至云及后台指挥中心,便携式地面站提供了人性化的操作界面,可极大降低飞行任务的复杂度。
便携式地面站具有以下特点：
- 实时显示飞行器位置坐标姿态、电池电压等数据；
- 实时显示云台相机拍摄的高清图像;
- 遥控遥测及图像传输距离最远可达10km(无线电通视条件下)；
- 支持自动起飞、自动降落、自动返航、自主巡航及收放起落架(需飞行器支持)等快捷操作;
- 支持航线规划,最大可编辑200个航点；
- 支持美国手、日本手等4种摇杆操纵模式；
- 支持通过4G连接公安专网，配合无人飞行器远程管控系统,可在任意联网电脑上远程监控飞行器,使后端指挥中心可实时了解现场信息。
- 软件及配置：
云平台与指挥调度系统：
视频实时回传
管控无人机
云平台主要特点：
- 支持灵活的账户管理。一台电脑一个账户可同时管理多架无人机；
- 支持远程监控无人机拍的视频下载照片,实时箏握现场状况；
- 支持远程监控无人机飞行状态、健康状态；
- 支持远程发指令给无人机,控制无人机自动起障、自动巡航,在线编辑航线,真正实现无需现场飞行操作员；
- 支持云端存储任务航线,再次执行时可直接调取。实现重复任务的规范化自动化简易化；
- 支持远程控制相机载荷、远程喊话、远程抛投；
- 云端可存储视频、照片、飞行数据,方便日后调取查看与分析。
云服务器配置：
服务器可以选择搭载本地单位的服务上或者云服务器上。
| 需求 | 飞行控制 | 视频传输 |
| CPU/内存 | 4核16G或8核16G一台 | 4核16G或8核16G两台 |
| 带宽 | 2M以上 | 一路1080P视频传输需要4M带宽，具体根据需求来定 |
- 作业流程：
现场勘查：
班玛县地貌
班玛县隶属果洛藏族自治州,地处自治州的东南部,大渡河上游,位于东经9945~101°14,北纬32°27~33-18,东南部与四川阿坝壤塘、色达县接壤,西部与四川省色达县和州属达日县为邻,北部与州属久治县相连。东西长约137公里,南北宽约96公里。最东边为东经101°14,最南为北纬3227,最西面为东经9945,最北面为纬33°18通过勘查该区域内需要布设中继站才可完成无人机的视频回传。
规划航线：
巡检区域分区模拟图
航线示意图
将林区的区域进行任务划分，并对划分的区域进行航线的规划。可提前完成规划，等到现场后直接导入无人机中进行外业飞行。
外业飞行数据采集：
地面站 视频实时回传
目标跟踪巡检
内业处理提交成果：
热红外图
- 定期对林区进行无人机巡检,实时将巡检结果图传回指挥大厅,便于指挥人员实时指导巡检工作;
- 通过分析无人机的巡检结果分析出林区林业资源分布情况,了解林区的资源分布情况,并分析树木的类型划分书易燃区域进行重点监控；
- 针对大面积的林业使用无人机巡检可以获取林区内树木的病虫灾害情况,可以监视是否有偷盗伐木的情况；
- 火灾发生时进行巡查,配置热红外传感器可以对火点进行精住定位,便于后方防火指挥部制定有关方案。