无人机在警务中的应用与展望

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无人机在警务中的应用与展望


无人机在警务中的应用与展望


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一、什么是警用无人机
警用无人机,区别于普通无人机,是警用无人驾驶飞机(UAV for police)的简称,它是指以无人机为载体,配有相关分系统,能执行警用任务的设备。当前国内警用无人机已经被广泛应用到反恐监控、抗洪抢险救灾、森林灭火、防暴搜捕、急突发事件调查、聚众驱散、大型集会安防、救援搜索、交通巡视等各个场合中。
二、警用无人机的类型
      目前市面上警用无人机主要分三类:固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机。
1. 固定翼无人机
固定翼无人机靠螺旋桨或者涡轮发动机产生的推力作为飞行动力,因此具有飞行速度快,飞行航时长,运载能力大的特点,但因个体比较大,起降易受场地限制。固定翼的无人机非常有用,一般在有较大航程和高度的需求时选择使用,比如公路监控,空域巡航、草原,森林防火等领域。
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2. 无人直升机
无人直升机是由无线电遥控飞行或自主控制飞行的无人驾驶、不载人的垂直起落旋翼飞行器。它依靠发动机驱动旋翼产生升力和操纵力,能垂直起落、空中悬停,能向任何一个方向灵活飞行。无人直升机以长航时、多任务、稳定性等为标志,具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势,被广泛应用于包括:森林防火、地震调查、边境巡逻、应急救灾、禁毒、反恐、警用侦查巡逻、治安监控、消防航拍侦查、等多个警用领域。
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3. 多旋翼无人机
多旋翼无人机是依靠多个旋翼产生升力来平衡飞行器的重力,让飞行器达到起飞的效果,同时通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态,因此多旋翼飞行器可以悬停,并在一定速度范围内以任意的速度飞行。
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多旋翼无人机体积小,操作简便,可进入枝叶繁多的树林,精细对某个目标进行观察。我国多旋翼无人机应用技术及系统解决方案的成熟运用,使得多旋翼无人侦察机平台结合视频、红外等监控及传送设备,通过空中对复杂地形和复杂结构建筑进行侦探巡查、现场救援指挥、案情跟踪、火情侦测及防控,成为城市警用航空运用最为广泛的无人机类型,本文主要探讨多旋翼无人机。
三、警用无人机的工作原理
警用无人机系统是由机体系统、飞行控制系统、通信系统、动力系统、荷载系统、发射和回收系统、地面控制系统等组成。机体系统主要包括机翼、机身、尾翼、起落装置等。机体的结构要充分考虑到气动、挂载、经济等方面,他们的尺寸、位置、机翼造型等会直接影响无人机运行效率和使用性能;飞行控制系统是无人机的核心部分,如同指挥员指挥飞机飞行;通信系统保证了地面与航空器的联系, 地面可以向航空器发射指令,航空器也可以向地面传递数据;动力系统可产生拉力和推力,保证了无人机上升、飞行;荷载系统可以便于无人机挂载各种功能设备,实现高空拍摄、照明、喊话、抛投、中继通信等;发射和回收装置主要是实现起飞和着陆任务;地面控制系统主要完成飞行任务的设定、监控无人机飞行的状态、任务数据加载、对无人机的操控和任务的操控、飞行参数记录、任务数据的记录等。警用无人机涉及的关键技术有飞行控制技术、通信技术、避障技术、发射和回收技术。

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3.1飞行控制系统
飞行控制技术是无人机的核心技术,它主要负责采集数据、控制律的计算、航线的确定、飞行任务的完成、起落控制、紧急情况的处置等,可以控制无人机的姿态、高度、飞行速度、航向等。由于存在强风、气流紊乱、载重变化、飞行倾角的变化以及其他一些干扰因素,飞行控制技术显得尤为重要,对飞行的鲁棒性鲁棒是Robust的音译,也就是健壮和强壮的意思。它也是在异常和危险情况下系统生存的能力、稳定性要求也很高。根据控制对象的不同,飞行控制技术可以分为飞行姿态控制技术和飞行导航控制技术,通常两者分开设计,避免相互干扰。
3.1.1飞行姿态控制技术
飞行姿态控制技术是指基于姿态的控制技术。主要使用的控制技术有PID控制、H∞控制、增益调度控制、模糊控制、神经网络控制、反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制、多饱和控制等。PID 控制方法是最经典、应用最广泛、最成功的控制方法,控制方法简单,适合于飞行精度要求不高、良好的飞行环境下的控制。H∞属于鲁棒控制的方法,它可以很好解决因干扰等因素引起的建模误差问题,适合于干扰环境下的飞行控制。利用多饱和控制的方法设计多旋翼无人机,可以解决其它控制方法所不能解决的很多实际的问题。
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3.1.2飞行导航控制技术
飞行导航控制技术是指基于导航数据的控制技术。要精准地定点定高、控制无人机悬停或者航线设计,飞行控制器必须知道自己所在的位置。因此,航空器内必须安装有与定位系统有关的接收设备,实时接收定位信息。目前全世界定位系统有美国的 GPS,中国的北斗、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的伽利略,印度的 IRNSS,其中应用最为广泛的是 GPS 系统。目前,警用无人机上安装的基本上都是 GPS 模块或者 GPS/GLONASS 双模块,不久的将来会装有北斗模块。由于会受到干扰影响,如电磁辐射或者地磁风暴,会使得 GPS 信号弱或者无信号,飞行的无人机会失控,所幸的是,无人机除了“GPS 模式”外, 还有一种“姿态模式”,依靠的是内部的 IMU (惯性导航系统,实际上就是由一组陀螺仪、加速度计传感器和计算机组成)来识别自身的飞行状态和相对位移。当没有 GPS 信号,可以切换到“姿态模式”,保证飞行任务的完成。在姿态模式下操作无人机,对操作手的技术要求很高,否则也会使得飞机失控。另外,一些警用无人机上还安装有超声波传感器和气压计,它们可以测量无人机的高度。在没有 GPS 信号的一些场合,可以利用超声波传感器和摄像头进行定位。
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要对无人机进行定点悬停、定高以及按照设计的航线飞行,除了以上的定位系统、惯性导航系统外, 最为关键的是需要控制技术才能达到指定的位置。譬如飞行高度高了,需要调低,可以通过反馈控制技术来实现;如有强风的影响,可以通过抗干扰控制技术来实现。
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3.2通信技术
无人机要完成飞行任务以及执行其他的任务,离不开地面控制指令,执行任务的相关信息、无人机的状态有必要传递到地面站,方便查看、纠正、储存,这些均需要通信技术的支持。无人机地面控制站和无人航空器之间的通信系统由上行链路和下行链路组成。上行链路传输指令信息给航空器;下行链路传输无人机的飞行状态、采集的数据给地面控制站。地面控制站与航空器之间的通信媒介主要有无线电波、光纤。利用光纤作为通信媒介,数据传输率高,通信质量好,一般在特殊的应用中会使用到,如信号干扰严重的区域、安全性要求较高的场合。警用航空器与地面控制站之间的通信媒介基本上都是无线电波,考虑到要传输图像信号,只有高频率的无线电波,频率在 3 GHZ~300 GHZ 之间的微波才能完成这种高速率数据的下行链路传输。微波传输属于视距传输方式,发射天线和接收天线之间不能有遮挡,否则信号不能送达。因此,利用微波作为传输媒介时,航空器飞行的高度和距离是有限制的。要想实现远距离飞行或者超高空飞行,可以通过卫星或者另一架无人机中继来实现。
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警用无人机不同于其他行业级或消费级无人机,涉及传输内容保密,因此无线传输需要加密并使用专用频率,因此警用无人机通信频率需要行业标准规范。

3.3避障技术

无人机避障技术是指无人机自主地避开障碍物的智能技术。避障技术可保证航空器飞行的安全性, 减少损失和伤害。避障技术的原理很简单,就是发现并绕开障碍物,飞行路径合理。控制技术、定位技术、计算机技术、视觉技术的发展推动了避障技术的快速发展。无人机避障技术包括有超声波避障、红外线或者激光测距避障、视觉避障技术、电子地图避障技术等。超声波避障技术比较成熟,方法简单, 但该技术探测障碍物距离近,飞行速度快的航空器往往来不及刹车;红外、激光、视觉避障技术都采用了三角测距法,红外避障技术成熟、成本低、但易受到光的干扰,测量距离较近;激光避障技术精度高、测量距离远,但成本高昂;视觉避障技术测量距离远,精度高、成本低,但计算复杂、对光线条件要求高。雷达避障技术测量距离远、精度高、但成本也很高;电子地图避障技术精度高、成本也高,对建模和运算要求也很高。目前,很多品牌的无人机同时运用多种避障技术来弥补不足,使得自主飞行更为智能和安全。很显然,未来避障技术的发展绝不是单一技术避障,而是多技术融合来应对多场景避障,这样更有利于完善自主避障系统。

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3.4发射和回收技术
要提高无人机起飞和降落的高安全性、高可靠性、高机动性等,对无人机的发射技术和回收技术要求也就比较高。目前无人机发射技术类型很多,包括弹射起飞、火箭助推发射、空中投放、手抛投放、垂直起飞、滑跑起飞等。警用无人机使用的发射技术主要有垂直起飞、助跑起飞、弹射起飞、手抛投放等。无人机回收技术有降落伞回收、气囊着陆回收、撞网回收、空中回收、垂直降落、拦阻着陆回收、绳钩回收、起落架滑轮着陆等。警用无人机回收技术主要有垂直降落、起落架滑轮着陆、绳钩回收等。具体选择哪种发射和回收技术,要充分考虑警用无人机的类型、重量、尺寸、起飞和飞行的环境、降落的环境、具体的应用等因素。
四、警用无人机的情报搜集方式
警用无人机在公安情报工作中具有极大推广价值,随着现代科学技术的飞速发展,公安信息化的深度应用给警务工作效能提升带来了质的飞跃。目前,全国公安机关配备各型无人机5000余架,无人机在追捕逃犯、巡逻监视、铲毒禁毒、反恐防暴、交通管理、大型活动安保以及社会救援救助任务中发挥了不可替代的作用,成为服务社会、维护社会稳定的重要力量。
4.1反恐处突
恐怖分子实施恐怖活动呈现出多样化、科技化等特点,这给公安机关的反恐工作带来了严峻的考验。提高公安机关装备的科技含量和快速反应能力迫在眉睫。无人机技术经过这些年的发展已经长足的进步能够很好的与公安工作相结合, 其具有飞行速度快,有效载重大,攻击目标准确等优点,能够克服人的承受极限,除了大风暴雨等恶劣天气外,均可执行反恐处突任务,其可搭载高清摄像头,可以从空中对地面大范围人群进行监视,能够迅速展开大范围的现场观察,具有实时监视人员流动情况,聚集范围等突出优势。无人机能够搭载热成像以及光视频等先进观测设备,突破光线的限制,迅速恐怖分子进行识别定位,第一时间将暴恐现场的画面传回指挥部,为公安机关领导指挥人员进行决策部署提供有力依据, 这对减少反恐处突一线民警的伤亡奠定了坚实的基础。
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4.2搜寻救援
将无人机用于搜寻救援,已经有很多先例了,例如今年就曾利用无人机搜寻天门山翼装飞行失联女大学生,由于无人机具有一定的飞行高度,其搜寻的范围要比地面搜寻人员的可视范围扩大数十倍甚至几百倍,搜寻效果明显提升,同时由于无人机可以追踪到热信号,能帮助救援人员在森林或雪地等不利环境下迅速确定被困者的位置,甚至无人机还可以装载一些救命的设备,如带水和干粮快速抵达指定区域,成为解救生命的重要工具。
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4.3聚众闹事
当聚众闹事引发骚乱事件时,无人机可以飞抵事故目标区域上空,对目标区域进行全方位不间断的监控,为公安干警全面掌控事态提供了先决条件。警方可根据无人机拍摄的资料对事故责任方进行举证。加装空投装置后,无人机还能进行特殊物品的投送,如播撒传单,向地面人员传递信息;小型旋翼无人机通过加装高音喇叭,还可以进行空中喊话,传递政府信息。
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4.4巡逻监视
在情报侦查领域当中,由于犯罪分子藏匿区域有着隐蔽性,多数会藏匿在较为偏远的山区或地形较为复杂的边境地区等,这些区域均有着交通不便、地形复杂、面积较大等特征,增加了布控的难度系数,这就对情报侦查该环节警务工作提出了更高的要求,只有获取最具时效性、完整性、精准性的情报信息,才能够为所处复杂地形环境下的警力布控提供有力的数据信息支持。而借助无人机,这一切困难均可迎刃而解。借助无人机,能够在地面站系统软件当中设置好具体飞行行径,巡逻重点侦察区域,并每间隔一段飞行距离,实现高清情报图片的自动化拍摄,及时传递至总侦查巡逻系统当中,以便于及时派遣直升机及相关侦查刑侦警务人员开展细节化的侦查工作。那么,伴随着国内无人机相关科学技术不断进步发展,在今后公安情报领域当中,无人机将会适应于各种侦查任务需求,实现不同类型侦查监视装置、电子站及战斗装置等搭载,实现全覆盖化无痕迹巡逻侦查,为各种案件的侦查于破获提供支持力量。
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4.5疫情防控
自去年12月以来,来势汹汹的肺炎疫情便彻底扰乱了人们的生活。不管是防疫控疫还是后续复工复产,都因疫情影响而变得艰难异常。因此,为保障人们的健康安全,维护日常生活所需,以及助力复工有序开展,警用无人机开始被大量投入战“疫”前线当中。各地公安机关将警用无人机应用于疫情防范宣传、远程无感测温、防护物资投递、交通治安管理、企业生产复工等多个方面,从空中有效支撑地面进行防控工作,不断将疫情所带来的冲击与影响降之又降,受到了人们群众的一致称赞。
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五、警用无人机的未来与公安机关信息化系统挂钩
警用无人机包含了无人机飞行器,控制终端,任务配套设备,地面设备,这是一款新型高科技警用设备。当前,警用无人机还只是作为一款单一的警用设备应用于实战当中,并未能够与公安的信息化系统相结合,警用无人机还只是实现了前端的侦察和中端的信息传输,还未能实现与末端的信息指挥系统的紧密相连,这对后端整个反恐处突指挥枢纽的决策效率与决策质量产生了不利的影响,警用无人机作为公安机关重要的空中侦察、空中火力打击力量,在战场情报搜集方面有着巨大的优势,未来一旦能将这种优势与公安机关的信息化系统紧密联系,必将使之能够将这种信息情报搜集优势直接迅速地转化为公安机关打击犯罪的优势。
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本期编辑:CZS

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