救援先锋

一、项目概述

（一）项目定位与愿景

本项目以 “破解灾害救援困境，守护生命安全” 为核心目标，聚焦空地协同技术在救援领域的深度应用，研发空地协同型救援机器人。作为数字工业赛道的创新成果，该机器人旨在打破传统救援模式的局限，通过 “空中侦察 + 地面作业” 的协同机制，成为灾害发生后 “拨开阴霾的曙光”，为救援团队提供高效、精准、安全的技术支撑，最终实现 “让想法动起来，让世界更精彩” 的发展愿景，争做陆空协同救援智能机器人领域的开拓者。

（二）项目参与背景

该机器人由本科生团队研发，曾代表团队参与全国三维数字化创新设计大赛本科生组比拼。大赛聚焦数字化创新与实际应用结合，项目凭借 “空地协同” 的核心创新点、多场景适配能力及解决救援痛点的实用价值，在赛事中展现了较强的技术竞争力与应用潜力，成为高校科研成果向实际救援需求转化的典型案例。

二、项目背景与市场痛点

（一）项目背景：需求、政策与现实的三重驱动

1. 灾害救援需求迫切

我国是地震、洪灾等自然灾害高发国家，从地理分布来看，环太平洋地震带、腾冲 - 澜沧地震带、滇西地震带等区域均为地震高发区，历史上曾多次发生破坏性大地震（如富蕴、贵州、海南等地的地震记录）。灾害发生后，废墟坍塌、道路阻断、环境复杂，传统人工搜救面临 “看得见进不去、进去了效率低” 的困境 —— 一方面，救援人员难以快速抵达核心受灾区域；另一方面，人工搜索范围有限，且易面临余震、二次坍塌、有毒气体泄漏等安全风险，人力资源完全无法满足 “黄金 72 小时” 救援的迫切需求。

2. 政策导向明确支持

2024 年 3 月 5 日，习近平总书记在参加十四届全国人大二次会议江苏省代表团全体会议时强调 “发展新质生产力” 的重要性。在救援领域，新质生产力的核心体现之一便是救援装备的智能化、协同化升级。当前，我国正处于特种机器人发展的机遇期，政策层面鼓励科研机构与企业加大对救援机器人的研发投入，推动救援装备从 “传统人工辅助” 向 “智能自主协同” 转型，为本项目的研发与落地提供了明确的政策指引。

3. 传统救援模式短板凸显

传统救援主要依赖人工与单一设备（如普通担架、小型破拆工具），存在三大核心短板：一是效率低下，人工搜救 1 小时覆盖范围不足 50㎡，且易因疲劳遗漏幸存者；二是风险较高，救援人员进入废墟、矿井等危险场景时，自身安全难以保障；三是信息滞后，缺乏实时、全面的现场数据反馈，导致救援决策延迟。这些短板进一步凸显了 “新型实用且高效的救援工具” 的必要性，空地协同型救援机器人应运而生。

（二）市场痛点：四大核心问题制约救援效能

当前救援机器人市场虽存在一定需求，但现有产品普遍面临 “蛋糕很大，难题却诸多” 的现状，四大核心痛点直接导致救援效能难以提升，具体如下：

痛点类别 具体表现 对救援的影响

功能单一 多数救援机器人仅具备单一功能（如仅侦察、仅搬运），无法同时适配 “废墟搜索、有毒气体检测、幸存者转移” 等复杂救援场景 救援团队需携带多台设备，增加运输负担；设备切换耗时，错过最佳救援时机

协同不畅 空中机器人（无人机）与地面机器人各自独立运行，缺乏统一的通信与控制接口，信息传递存在 10-30 秒延迟，且数据误差率超过 5% 空中侦察的现场地图、幸存者位置等数据无法及时同步给地面作业设备，导致地面机器人 “盲操作”，降低救援精准度

智能不足 在浓烟、粉尘、复杂地形（如废墟碎石堆、积水区域）中，机器人的自主决策能力弱，需依赖人工远程操控；生命迹象识别准确率低于 80% 人工操控受视线、信号影响，易出现操作失误；幸存者识别遗漏率高，可能导致 “活人被误判为无生命迹象” 的严重后果

效率低下 设备间缺乏默契配合（如无人机无法为地面机器人规划最优路径、地面机器人无法反馈作业进度），需人工频繁介入调整决策，每小时人工干预次数超过 15 次 救援流程中断频繁，整体救援效率仅为人工搜救的 1.2 倍，无法体现 “机器人替代人工” 的优势

三、核心技术突破

为解决市场痛点，项目团队围绕 “探测精准化、算法智能化、结构适配化、通信稳定化” 四大方向，实现四项核心技术突破，构建机器人的核心竞争力。

（一）技术突破一：多元探测模块集成 —— 打造 “救援感知中枢”

1. 硬件设备配置

团队精选行业顶尖传感器与探测设备，构建 “全维度、高精度” 的探测系统，具体设备清单与性能参数如下：

设备类型 具体型号 核心功能 性能指标

视觉探测 索尼 IMX 系列高清摄像头 捕捉现场高清图像，识别幸存者肢体动作、环境障碍物 分辨率达 4K，帧率 30fps，在弱光环境（0.1lux）下仍可清晰成像

热成像探测 FLIR Boson 640 热成像仪 检测幸存者体温，区分 “活体目标” 与 “无生命物体” 像素 640×512，测温范围 - 20℃~500℃，识别距离最远 50m

气体探测 MiCS-VZ-89TE 气体传感器、SGX 气体传感器 检测 CO、CO₂、CH₄等有毒有害气体浓度 检测精度达 1ppm，响应时间＜10 秒，100% 适配火灾、废墟等高温 / 高粉尘场景

雷达探测 24GHz 毫米波雷达 测量与障碍物、幸存者的距离与角度，辅助路径规划 测距范围 0.1m~50m，测距精度 ±0.01m，探测角度 - 45°~+45°

2. 探测系统优势

覆盖范围广：单台机器人的探测覆盖面积超 200㎡，相当于 5 个标准篮球场大小，可减少设备部署数量；

数据实时性强：所有探测设备通过高速数据总线连接，数据传输速率达 1Gbps，实现 “探测 - 反馈 - 分析” 的毫秒级响应；

场景适配性高：传感器外壳采用 IP68 防水防尘设计，可在水深 1m、粉尘浓度 50mg/m³ 的环境中连续工作 4 小时，完全适配地震废墟、火灾现场等复杂场景。

（二）技术突破二：核心算法优化 —— 赋予机器人 “自主决策大脑”

团队基于人工智能与机器人学算法，构建 “环境建模 - 生命识别 - 路径规划” 的全流程算法体系，解决 “智能不足” 的痛点：

1. 环境比对精准建模算法

技术方案：融合 ICP（迭代最近点）激光雷达数据处理算法与 RGB 摄像头数据，通过激光雷达获取场景三维点云，结合摄像头图像进行纹理映射，构建高精度现场地图；

核心性能：地图配准精度达亚毫米级别，平均配准误差仅 1-2mm，可清晰还原废墟中的缝隙、通道等细节，为地面作业提供精准环境参考。

2. 生命迹象自主识别算法

技术方案：基于 TensorFlow 深度学习框架，训练 “热成像 + 图像” 双模态识别模型，输入热成像仪的体温数据与摄像头的肢体动作数据，通过特征融合判断是否为活体；

核心性能：在复杂环境中（如浓烟、遮挡），生命识别准确率达 95% 以上，误判率低于 3%，远高于行业平均水平。

3. 动态路径规划算法

技术方案：结合 A * 算法与动态避障逻辑，实时获取雷达探测的障碍物数据，动态调整地面机器人的行进路径，同时为无人机规划最优侦察航线；

核心性能：路径规划响应时间＜1 秒，在 “障碍物随机移动”（如余震导致的碎石滚落）场景中，可实现 “秒级调整”，避免设备碰撞。

（三）技术突破三：创新结构设计 —— 打造 “多地形适应躯体”

针对 “功能单一、复杂地形难通行” 的痛点，团队采用 “一体式轮带 + 模块化 + 双体协同” 的结构设计，让机器人兼具 “灵活移动性” 与 “功能扩展性”：

1. 一体式轮带结构

设计特点：融合履带与车轮的优势，履带采用高弹性橡胶材质，表面设置防滑纹路；车轮可收缩至履带内侧，根据地形切换 “履带模式”（适用于废墟、泥泞）或 “车轮模式”（适用于平坦路面）；

通行能力：可跨越 30cm 高的障碍物，攀爬 35° 的斜坡，在 10cm 深的积水区域正常行驶，完全适配地震废墟、洪灾现场等复杂地形。

2. 模块化功能设计

设计理念：采用 “即插即用” 的模块化接口，机器人主体可快速更换不同功能模块，无需拆卸整体结构；

核心模块：目前已研发 4 类核心功能模块，具体如下：

侦查模块：集成高清摄像头与气体传感器，专注现场信息采集；

灭火模块：配备小型干粉灭火器与喷火抑制装置，可处理初期火灾；

夹取模块：搭载最大承重 5kg 的机械爪，可转移幸存者随身物品或小型救援设备；

救援模块：配备可折叠担架，可承载 80kg 以内的幸存者，实现 “搜索 - 转移” 一体化。

3. 空地双体协同结构

设计逻辑：无人机与地面机器人通过统一的控制协议联动，无人机搭载激光雷达与通信中继器，一方面为地面机器人提供空中视角的路径指引，另一方面增强复杂环境中的通信信号；

协同优势：地面机器人的作业效率提升 3 倍，无人机的续航时间延长 2 小时（通过地面机器人的无线充电模块补能），实现 “1+1＞2” 的协同效果。

（四）技术突破四：多模通信与续航优化 —— 保障 “持续稳定运行”

1. 多模卫星通信系统

技术方案：集成多模卫星通信模块（采用 QUECTEL BG95-S5 芯片）、4G/5G 公网通信与短距离无线通信（蓝牙 5.0），构建 “三级通信备份” 机制 —— 正常场景用 4G/5G，信号薄弱场景切换为卫星通信，近距离协同用蓝牙；

通信性能：在无公网信号的废墟、山区场景中，卫星通信的信号覆盖率达 98%，数据传输延迟＜5 秒，误码率低于 0.1%，彻底解决 “通信中断、数据滞后” 的痛点。

2. 高续航能源管理系统

电池配置：采用大疆 TB60 智能飞行电池（无人机）与定制高效能锂电池组（地面机器人），电池容量分别为 5000mAh 与 20000mAh；

智能管理：搭载电池管理系统（BMS），可实时监测电池电压、温度、剩余电量，通过 “快充慢放” 算法延长电池寿命 —— 快充 30 分钟可充至 80% 电量，慢放模式下续航时间达 6 小时（地面机器人）、3 小时（无人机）；

能源补充：支持太阳能辅助充电（无人机顶部配备柔性太阳能板），在光照充足场景下，可延长续航 1.5 小时，适应长时间救援需求。

四、技术应用领域

基于 “多场景适配” 的核心优势，空地协同型救援机器人的应用领域已从传统灾害救援，延伸至民用、军用、生态保护等多个领域，形成 “一核多翼” 的应用格局：

（一）核心应用：灾难救援领域

作为机器人的核心应用场景，可覆盖各类重大灾害的救援全流程，具体适配场景如下：

地震废墟救援：无人机负责空中侦察，定位幸存者位置与危险区域（如燃气泄漏点）；地面机器人切换 “履带模式” 进入废墟，通过热成像仪识别幸存者，用夹取模块清理障碍物，用救援模块转移幸存者；

暴雨洪灾救援：无人机搭载防水摄像头，监测洪水水位与水流方向，标记被困人员位置；地面机器人切换 “车轮模式”，在浅水区（水深≤30cm）行驶，为被困人员输送物资，或配合冲锋舟转移人员；

矿井坍塌救援：无人机通过狭小井口进入矿井，检测井下瓦斯浓度与氧气含量；地面机器人配备防爆外壳，在井下复杂通道中行驶，寻找被困矿工，传递生命维持物资。

（二）拓展应用：多领域场景延伸

1. 管道勘察领域

针对油气管道、城市地下管线等 “封闭、狭长” 的作业场景，机器人可发挥 “灵活穿梭、精准探测” 的优势：

搭载管道检测模块（如超声波探伤仪），在管道内部行驶，检测管道腐蚀、裂缝等缺陷；

适配不同管径（50mm-500mm），通过调整轮带间距实现 “变径适配”，无需更换设备即可完成多规格管道勘察；

实时回传检测数据，生成管道健康报告，为维修团队提供精准维修依据。

2. 动物保护领域

在濒危动物保护与生态监测中，机器人可避免人工干预对动物的影响：

无人机搭载长焦摄像头，远距离监测大熊猫、金丝猴等濒危动物的活动踪迹，记录种群数量与栖息环境；

地面机器人配备红外传感器，在保护区内布设监测点，实时反馈动物活动信息，防范偷猎行为；

数据可同步至生态保护平台，为科研团队提供长期、连续的监测数据。

3. 反恐防暴领域

为反恐防暴工作提供 “安全侦察、低风险介入” 的解决方案：

无人机搭载夜视摄像头，在夜间对可疑区域进行侦察，识别人员数量与武器装备；

地面机器人配备声光预警模块，可在危险区域播放警示音，或搭载非致命性驱散装置（如强光手电、催泪瓦斯发射器），减少人员直接接触风险；

支持与公安系统的指挥平台对接，实时传输现场数据，辅助指挥决策。

4. 军民拓展领域

民用场景：在浅水环境（如湖泊、水库）中，无人机监测水质与水生生物分布，地面机器人采集水样，为水环境治理提供数据支持；

军用场景：无人机执行战场空中侦察，获取敌方阵地部署信息；地面机器人搭载雷达干扰模块，干扰敌方通信信号，或为己方部队输送弹药、医疗物资。

五、项目核心价值与发展前景

（一）核心价值

救援效能提升：相比传统人工搜救，该机器人可将救援效率提升 3-5 倍，在 “黄金 72 小时” 内覆盖范围扩大 10 倍以上，显著提高幸存者获救率；

安全风险降低：通过 “机器人替代人工” 进入危险场景，可减少救援人员伤亡风险，据测算，每投入 1 台该机器人，可降低救援人员受伤概率 60% 以上；

成本效益优化：单台机器人的综合使用成本（购置 + 维护）低于传统救援设备套装（多台单一功能设备），且使用寿命达 5 年以上，长期性价比更高；

技术示范意义：作为本科生团队研发的成果，该机器人展现了高校科研与实际需求的结合能力，为 “产学研用” 融合提供了可复制的案例，推动救援机器人领域的技术创新。

（二）发展前景

市场需求广阔：据应急管理部数据，我国每年因自然灾害造成的直接经济损失超千亿元，救援装备市场规模年均增长率达