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无人应急救援装备关键技术研究与应用示范

2020-11-11

 

近年我国发生的天津危化品爆炸、“东方之星”沉船等重大事故灾难,以及长江中下游洪水、汶川/雅安地震等自然灾害事件,对应急救援装备的快速布置、高效处理提出了更高要求。针对突发事件中伤员可靠/安全抢运不及时、灾害现场环境侦测覆盖性低、灾情信息传输与处理时效性不够、恶劣海况下应急救助可靠性不强等问题,迫切需要突破技术瓶颈,研制面向典型场景实际应用的无人应急救援装备。
在国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项“无人应急救援装备关键技术研究与应用示范”项目的支持下,沈阳新松机器人自动化股份有限公司联合多家单位,结合重大事故灾难、自然灾害等突发事件中地面伤员抢运、空中环境侦测、海上紧急救助的实际需求,针对地面伤员自主搜寻与定位、复杂环境认知与自适应运动、大负载柔性机械臂、远程诊断和急救、特种环境防护,广域全天时飞行控制、灾情数据三维快速建模与集群并行计算,无人船恶劣海况适应性、多种遇险目标救助执行器、间歇遮蔽信道通讯与导航等关键技术开展攻关,研制伤员抢运地面无人救援机器人、远程空中应急无人机及海上救助无人船装备,并开展典型场景的示范应用,推动建立应急救援装备技术和标准体系(图1)。
该项目由沈阳新松机器人自动化股份有限公司牵头,联合中国科学院沈阳自动化研究所、海鹰航空通用装备有限责任公司、中国电子科技集团公司第三十六研究所、中国地震应急搜救中心、公安部上海消防研究所等28家单位共同攻关,项目承担单位中包括重点高校6家、事业型研究单位5家、装备制造企业或上市公司11家、应用示范相关事业单位6家。项目自启动以来,技术研究、装备研制与应用示范工作同步开展,取得了一系列重要的阶段性成果。
 
1 无人救援应急装备标准体系
项目团队结合机器人、无人船和无人机标准体系特点,参考无人应急救援装备现状,提出了符合我国国情的无人应急救援装备标准体系架构。标准体系架构中包含基础标准、整机与系统标准、检测与评定标准、信息化标准4个组成部分,又向下细化分为多个标准类别分支。
无人救援应急装备标准体系的研究为我国无人应急救援装备标准化发展战略和规划提供了有益的参考和指导,同时也为提升我国无人应急救援装备自主创新能力、促进我国无人应急救援装备产业健康发展提供了有力支撑。
 
2 地面伤员抢运机器人
针对复杂灾难环境下伤员抢运任务的高通过性、高效机动性和姿态可调整等要求,研究了轮地接触力驱动轮牵引力分配策略、轮腿协调的构型控制与自主导航定位技术,完成了模块化的多轮腿履复合移动机构研制,提高了地面伤员抢运机器人(图2)在复杂灾难环境中的运动自适应能力。
针对移动平台自主安全导航和大负载自重比机械双臂伤员搬移收纳过程操作控制需要,研究了基于激光和视觉等多传感器数据融合的灾害环境实时建模技术、伤员自主搜寻和实时定位技术、灾害现场障碍物实时检测方法。完成了环境模型的构建,可满足伤员搜索、移动平台导航及伤员收纳需要。
 
3 远程空中应急无人机
项目团队针对灾害现场广域环境侦测覆盖性需求,开展了无人机高升阻比翼型研究和大展弦比气动外形设计、高抗剪轻质复合材料机翼蒙皮结构技术研究,完成了无人机研制及飞行试验工作,为后续应用示范提供了数据支撑。远程空中应急无人机见图3。
针对灾害现场信息快速感知的需求,开展了多功能任务载荷搭载技术研究,实现多核CPU/GPU集群分布式并行化处理全流程化,将测区任务分成若干子任务,分配给每个节点服务器,进行影像匹配、空三测量、点云的加密、三角网构网、影像纹理自动生成及纹理印射、三维模型生成、正射影像投影等全流程的并行运算,从而可以在飞行过程中获得全息多维高分辨率灾情数据。
 
4 海上救助无人船平台
针对恶劣海况下的搜救需求,研究了无人船抗浪性、自救和自扶正技术,可实现在5级海况下无障碍搜救作业。研究了低速下精确定点控制技术,采用高精度的推进系统、优化艉部喷流口设计、船体型线设计等技术手段,使无人船在风、浪、流多种因素的影响下具备低速定点救援能力。研究了船载式救援无人艇在大型救援船上释放和回收技术,以及自动脱钩释放技术,从而实现高海情救援情况下的救援装备自动释放和回收。海上救助无人船平台如图4展示。
项目实施过程中同步开展技术研究、装备研制与应用示范工作,保证了技术研究的实用性、装备研制的环境适应性以及应用示范的合理性,同时建立了完整的无人应急救援装备标准体系,构建了从理论支撑到装备实践的完整的无人应急救援装备解决方案。
目前项目已完成中期检查工作,地面伤员抢运机器人、空中应急无人机、海上救助无人船平台的研制工作已接近尾声,后续将针对地震废墟、危化品泄漏、测绘/民政/能源空中搜救、高海情搜救等场景展开一系列的应用示范工作,最终将形成完整的地面-空中-海面无人应急救援装备以及标准体系,为我国无人应急救援装备产业的发展提供有力支撑。
项目牵头单位及负责人简介
沈阳新松机器人自动化股份有限公司成立于2000年,隶属于中国科学院,是行业内首家上市公司。同时是中国机器人标准化总体组组长单位、中国机器人产业联盟理事长单位、中国智能制造系统解决方案供应商联盟理事长单位、“中国机器人Top10企业”理事长单位。通过多年努力,公司打造了4000余人的研发创新团队,围绕无人应急装备标准体系与救援机器人系统研究开展了大量工作,建立了良好的科研基础,积累了丰富的装备制造、应用示范经验。近年来,获授权国家发明专利200余件(特种机器人机械臂遥控系统,ZL201210018856.2等)、软件著作权112件,主持和参与制修订国家/行业标准20余件。
徐方,1962年生,中国科学院大学博士生导师,沈阳新松机器人自动化股份有限公司副总裁。长期从事机器人技术研究、开发及产业化工作,先后主持完成了国家重点科技攻关计划项目、国家科技重大专项、国家863计划、中国科学院及省市重大科研项目。参与了“十一五”“十二五”国家及省市科技发展规划的制定与实施。近年相继担任“十三五”国家重点研发计划“智能机器人”重点专项专家组成员、中国自动化学会《机器人》杂志编委、机器人产业技术创新战略联盟秘书长,入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次人选,被评为辽宁省首届杰出科技工作者、沈阳市科技创新十佳带头人。先后荣获国家科技进步奖二等奖、中国科学院科技进步奖特等奖、省部级科技进步奖一等奖、沈阳市科技进步奖一等奖等多项奖励。获授权国家发明专利60余项(轴孔装配工业机器人系统及其工作方法,ZL201310578100.8等),在核心期刊上发表论文50余篇,培养博士、硕士研究生40余名。