摘 要

我国一直被视为海洋和航运大国，水运成为我国经济发展的不可或缺的部分，然而随着水上活动的增加，许多无辜生命葬身江河湖海，因此，水上搜救成了我国亟待解决的问题。21世纪，无人机作为时代的产物，技术发展迅速，并被广泛应用于军用及民用领域中，同时也在繁重的救援任务中也拥有良好的应用前景。在地震、火灾等灾害后救援中，为减少人力以及物力的损失，无人机经常出现在救援第一线，被应用于灾后营救活动中。本文主要聚焦于水上搜救概念无人机，并对其展开如下研究与设计：

首先，探究了国内外救援无人机现状并针对特定无人机案例的造型及功能进行分析，同时对无人机相关科技技术进行对比研究。

其次找出现有救援无人机的痛点并对其进行改善，对产品进行多方面定位同时赋予无人机新功能，形成初步的设计构想。

最后通过草图绘制、三维模型制作以及模型渲染等流程不段改进设计最终确定方案，再通过3D打印及喷漆等步骤完成实物模型制作。在这一过程中，完成对水上搜救无人机的全套设计。

关键词：无人机；水上救援；新概念

Abstract

China has been regarded as a shipping country which is abundant in ocean, and water transport has become an indispensable part of our economic development. However, with the increasing number of water activities, many innocent lives are buried in the river, lake and ocean. Therefore, the search and rescue of marine perils has become a problem to be solved urgently. In twenty-first Century, unmanned aerial vehicle (UAV), as the product of the times, developed rapidly, and was widely used in military and civil fields. It also has a good application prospect in the heavy rescue task. In the rescue of earthquake and fire disaster, in order to reduce the loss of labour force and material resources, unmanned aerial vehicle (UAV) often appears in the front line of rescue, and is applied to the rescue activities after disaster. This paper focuses on the concept of UAV on Maritime search and rescue, and launches the following research and design:

Firstly, the present domestic and overseas situation of the rescue unmanned aerial vehicles (UAV) is explored and the form and function of the specific UAV cases are analyzed. At the same time, the relative technology of UAV are researched and compared.

Secondly, i try to find the pain points of the unmanned aerial vehicle (UAV) and improve it.Then, i make a multifaceted product positioning, endow the unmanned aerial vehicle with new functions, and form a preliminary design concept.

Finally, through the sketch drawing, the 3D model making and the model rendering, i improve my project over and over again to determine the final scheme, and the physical model is finished by the steps of 3D printing and spray painting. In this process, the complete design of UAV for water search and rescue is completed.

Key Words：；unmanned aerial vehicle；watet rescue；new conception

目 录

1 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1 无人机的发展与应用 1

1.2 课题研究目的及意义 1

1.2.1 研究目的 1

1.2.2 研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 人员搜寻 2

1.3.2 人员运送 2

1.3.3 恶劣环境中的生存能力 3

1.3.4 数据采集 3

2 调研与分析 4

2.1 国外救援无人机案例 4

2.1.1 以色列涵道风扇无人机 4

2.1.2 瑞士耐碰撞无人机 5

2.1.3 防水无人机 5

2.1.4 携带救援物品无人机 6

2.1.5 测绘无人机 7

2.2 无人机结构分析 8

2.2.1 机架 8

2.2.2 动力系统 9

2.2.3 指挥控制系统 10

2.3 无人机避障技术 10

2.3.1 红外避障 10

2.3.2 超声波避障 11

2.3.3 激光避障 12

2.3.4 视觉避障 12

2.3.5 五向避障 13

2.4 无人机在恶劣气象条件下的自主决策技术 14

2.5 无人机续航能力分析 14

2.5.1 氢燃料电池 15

2.5.2 太阳能电池板 15

2.5.3 新型锂电池 15

2.6 投掷式落水自充气救生圈 15

3 设计方案说明 17

3.1 设计理念 17

3.2 设计定位 17

4 方案设计 19

4.1 草图 19

4.2 三维数字模型图 21

4.3 设计说明 22

4.4 渲染图展示 22

4.5 使用场景图 26

4.6 爆炸图展示 26

4.7 尺寸图 27

5实物图 28

5.1最终模型照片 28

5.2模型展览图 30

6总结 31

参考文献 32

附 录 33

1.任务书 33

2.开题报告 33

3.英文翻译及原文 33

4.阶段性报告 33

5.效果图 33

6.展板 33

7.光盘（1张） 33

8.评分手册 33

致 谢 34

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 无人机的发展与应用

无人驾驶飞机简称“无人机”（“UAV”），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机的起源追溯到20世纪20年代的第一次世界大战，无人驾驶的飞机首次运用在了军事航空领域。在海湾战争后，美国等西方国家充分意识到了无人机在军事以及战争的重要作用，大力研发新型高新技术并运用在无人机上，从而迎来了无人机高速的发展以及广泛的应用。

在如今的信息时代中，无人机更加在生活中占据重要地位。无人机在军事领域普遍被重视，然而伴随着科技技术逐步成熟与完善，无人机也被广泛运用于航拍、植保、快递运输、灾难救援等民用领域中。民用领域中对无人机的技术性能要求不高，同时制造成本低，为人们带来许多便利。国内民用无人机的发展起源于2006年的尖兵之翼——第一届中国无人机大会，自此，无人机慢慢走进入人们的视野，最近几年具有航拍功能的无人机逐步迈向了国内消费市场，受到了消费者的青睐,成为了国内炙手可热的电子产品。

1.2 课题研究目的及意义

1.2.1 研究目的

我国社会经济发展迅速，海运成为我国企业进行贸易交易的主要交通运输手段。我国一直以来都是海洋和航运大国，随着海上活动数量的增加，海上遇险事件屡见不鲜，据数据统计，“十二五”期间全国处置海上遇难事件10097起，救援海上遇难者84234名、船舶7653艘。目前，普通船舶和飞机是国内主要的救援工具，这种方式所需成本高，每次救援行动都需要耗费大量的人力以及物力，正是因为水上安全应急措施以及设备的不完善，许多无辜生命葬身大海。面临繁重的水上交通安全应急处置任务，无人机对此具有较好的应用前景，大幅提高搜救效率和救援成功率。

1.2.2 研究意义

我国首次利用无人机进行救援工作发生在2008年南方冰冻灾害上。同年，在5.12汶川大规模地震上，无人机取得了更进一步的发展。由于无人机在救灾过程中的良好表现，导致了我国相关研究人员对无人机相关技术的大力研究，并在无人机的飞行控制、低空遥感、发动机等多方面取得了突破与进展。使无人机能够在各种复杂环境中进行飞行活动并完成监控工作，并逐步开拓无人机的海上救援工作。救援无人机的应用正在往系统化、专业化的方向发展。此次设计的意义正是顺应了国家的趋势，利用无人机价格成本低 、操作简单灵活等特性并赋予其新的功能——海上救援功能，通过无人机搜索定位精准确定遇险位置并投掷部分援救物品，使快速执行救援任务并代替人进行监管从而减少搜救人员所面临的危险，从而能够更快速、有效的实现海上救援工作。

1.3 国内外研究现状

国外较早开发了无人机在救援领域的应用，尤其在于突发灾害事件中。一些国家利用无人机进行搜救、人员转运、物品运输等救援行动，并在无人机机身构造、网络化等方向取得了成果，对当代社会科技发展具有不可忽视的意义。

相较之，国内对无人机的研究起步较晚，而且相关技术不够成熟，但近年来，无人机制造公司大疆创造（DJI)在国内异军突起，该公司推出的产品令人眼前一亮。该公司的成立引起了群众的广泛关注，也让无人机逐渐进入到了消费者的视野中。

1.3.1 人员搜寻

救援工作中最核心的环节即为对失踪及遇难人员的搜寻，然而在传统救援过程中，人海战术最为常见，但其缺点也十分显著，这一过程损耗大量人力物力，同时效率较低。相较之传统人海战术，无人机利用搭载的搜索装备寻找遇害人群速度快、范围广，在现有技术中，多采用光学、红外等方法，然而瑞士联邦理工学院的研究人员发明了另一种搜索方式，借助随身携带的手机，利用WiFi寻找被掩埋在地下的人群，这种方法简便而又实用，作用显著。

1.3.2 人员运送

在搜寻过程完成后，对遇难人员的营救也是至关重要的。然而将伤病员及时从战场或灾害现场转移运送到安全地带和后方医疗单位并非为一件轻而易举的事情。起初主要方式为人背或人抬，逐渐的演变成使用机械车辆，直到现在，美国运用科技技术开发了救护机器人，在陆地上进行运送。如果地面道路不方便运输，也可以使用直升机，因其能够垂直起降并且速度快，所以具有较好救援效果。但是有人驾驶的直升机也有很多劣势，例如所需成本高、对天气和环境都有要求，在雷电交加或是崇山峻岭中很难正常飞行。因此在过往的救援经历中，直升机经常发生坠毁事故，降低了营救的安全性。以色列研究的载人无人机很好的解决了这一困扰，这种高负载的无人机实现了无人驾驶，也能够载人运物，以色列作为无人机技术最发达的国家之一，对遇难人员的运送作出了卓越的贡献。

1.3.3 恶劣环境中的生存能力

救援无人机大多都在各种特殊恶劣环境中实现飞行和救援，如地震、火灾、海难等，因为正是因为需要在这些环境中稳定正常飞行，这对无人机的生存能力有着极高的要求。无人机在飞行过程中很难完全避免碰撞，但瑞士Gimball无人机拥有优秀的生存能力，能在震后倒塌的房屋、烟雾笼罩的建筑物中避障飞行，从而顺利完成各种艰难的救援任务。无人机在海啸、暴风雨环境中也面临着巨大的考验，splash防水无人机和海上救援无人机的问世拓展了救援活动的范围和空间。还有一些特殊材料制作的无人机可以化学气体甚至放射性物质中飞行，完美代替人类展开营救行动，这凸显了无人机无可替代的作用。

1.3.4 数据采集

无人机通常装配的基本设备为多媒体采集系统，既可负责获取大量环境视频、音频资料，也能通过无线传输方式传送到地面接收器，从而传递各种信息，其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩，并且以图像方式把视频数据送回指挥中心，因此无人机也被视为小型的信息化平台。无人机能方便地使用各种载荷，如摄像机、热像仪等。只要将摄像机安装到无人机上，并配合自动曝光等先进技术，即可获取高清照片。这些照片经过后期处理，能为灾难评估提供可靠的数据保障，在灾后重建中也有举足轻重的地位。例如在“5.12汶川地震”救灾过程中，我国的“华鹰”无人机在第一时间内拍摄了大量震后影像，为灾后建设提供了可信赖的决策依据。

2 调研与分析

2.1 国外救援无人机案例

2.1.1 以色列涵道风扇无人机

2015年3月13日，在黎巴嫩发生一起人质挟持事件，在救援行动中，警方发现需要在密集火力的环境中作战，这无疑对直升机中救援人员的生命造成了极大的威胁，因此需要动用无人平台参与本次行动，将伤员撤离战区。无人机配备了机动生命支持（MLSTAT）系统用来远程监控伤员的伤情并实施远程紧急救治。该飞行平台采用了涵道风扇设计，可携带两名伤员飞行两小时。

较同样直径的孤立风扇，涵道风扇能产生更大的升力，也可阻挡风扇气动声向外传播，具有结构紧凑、安全性高、机动性强、噪音低等优点。日前，以色列设计出未来涵道风扇无人机“快骡”（Fast Mule），“城市航空”公司（Urban Aeronautics）已经完成了“快骡”（Fast Mule）的初步风洞试验，测得该机速度可达465km/h，这一无人机未来可用作战场上的特殊救援，大大降低救援风险。

图2-1-1 以色列“快骡”（Fast Mule）无人机

2.1.2 瑞士耐碰撞无人机

瑞士“飞行动力”（Flyability）公司研发了一种新型耐碰撞无人机“Gimball”，其造型异于普通无人机，外层是一个极轻的碳纤维多轴球型支架，支架间由万象关节连接，整个无人机看起来就像一个“球”。“Gimball”因其独特的构造并不试图避开障碍物，来完成艰巨的任务，而是反其道而行之，直接与障碍物产生撞击，再被反弹回来，接着向目的地前行，它甚至可以在地上和天花板上滚动，也可在狭小的空间内飞行，如火灾现场、坍塌建筑物或下水管道，它能灵活运动，又有抗摔性能，这对紧急救援具有重大意义。

图2-1-2 “Gimball”耐碰撞无人机

2.1.3 防水无人机

“Splash Drone”是专为水上运动爱好者准备的防水无人机，它采用了防水设计，可以停留在水面上。设计者制造了一个防水平架，使其不惧怕入水，能稳定漂浮在水面之上，同时可从水上滑行、起飞，即使掉到水里也不会沉下去。除了专业的跟拍功能之外，它还提供了紧急救援呼叫功能，因此这种特殊无人机对水上救援活动可作出巨大贡献。Splash 无人机由ABS热塑性聚合物制成框架，内置5.8 GHz、600 mW 视频发射机，一个 2.4 GHz 的无线电台控制器，一个相机潜水箱，还有 GPS 辅助设备，跟踪模式，智能手机操纵装置，以及 17 min 的飞行时间。

Splash Drone无人机现有两种不同的版本，第一种为手动控制的版本，第二种则是通过内置的系统和传感器实现自动追踪拍摄的版本。使用者能够利用 App提前为Splash Drone设置飞行路线，还可开启“跟随”模式，让其自动跟随在使用者身后拍摄划水画面。另外，Splash Drone无人机具有线路记忆功能，可自动返回起始点。

2-1-3 Splash Drone防水无人机

2.1.4 携带救援物品无人机

伦敦RTS Ideas公司设计的海上救援无人机在执行任务时，每一架需要携带3个救生圈，可向海上遇难人群投掷救生圈，为溺水者提供生命保障。无人机漂浮在海上，并利用太阳能供电，一旦收到救援信号，就立刻飞到溺水者附近执行任务，并观察现场情况，保证遇险者顺利脱离险境。

针对一些需要紧急救治的境况，无人机也经常携带医药箱等救助物资来为伤员进行急救，因而无人机在医疗急救中经扮演重要角色，尤其是医疗设备相对匮乏的山区以及偏远地区将为这类救援无人机提供最大舞台。

2-1-4 携带救生圈无人机

2.1.5 测绘无人机

随着近年来计算机视觉技术的发展，中国大疆无人机公司开发了“精灵4 Pro”小型一体机渗透到测绘市场。无人机测绘通过无人机低空摄像以获得高清影像数据并生成三维点云与模型，从而快速获取地理信息。在2010年4月的青海玉树地震以及2013年4月四川雅安地震中，我国均利用测绘无人机进行震后测绘，对灾区地形地貌以及受损情况做出近一步空中排查。

2-1-5 精灵4 Pro小型测绘无人机

2.2 无人机结构分析

无人机是由机架、动力系统和指挥控制系统三大部分组成。

2.2.1 机架

  “机架”是无人机的承载系统，机架承载无人机的各类设备是无人机上天的结构基础。从坚固程度、使用是否方便、器件安装合理度等等方面，可以看出无人机机架的制作水平。机身、起落架、机臂等组成一个基础的机架。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：