一种发射型灾难救援和灭火无人机的制作方法

本发明涉及一种飞行器，具体涉及一种发射型灾难救援和灭火无人机。

背景技术：

随着无人机行业的火爆发展，各种各样的无人飞行器系统被发明出来，用于实现不同的任务作业。无人飞行器按照外形和飞行原理分类，主要有三种类型：固定翼、直升机、多旋翼。其中固定翼型无人机无法垂直起降和悬停，直升飞机和多旋翼无人机都可以垂直起降和悬停。

多旋翼无人机，又称多轴飞行器，包括4旋翼无人机、6旋翼无人机及8旋翼无人机等，其特征是多个完全一样的旋翼，成对相向旋转，产生升力。同时，不同旋翼之间的速度差，产生无人机对地的倾角，从而产生旋转和向前、向后飞行。因此，多旋翼无人机的操控原理简单，操控器四个摇杆操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面，多旋翼无人机自驾仪控制方法简单，控制器参数调节也很简单。多旋翼无人机结构简单，控制简单，易于遥操作。

无人直升机的基本特征是具有一个或一对大型的旋翼，其旋翼的面积远大于多旋翼无人机的旋翼的总面积，因此，其载荷能力和续航能力远大于多旋翼无人机，其效率也高于多旋翼多旋翼无人机。普通直升机可以相对方便地增加旋翼尺寸，直径大，效率高，能实现大载荷和高稳定性。当前直升机载荷最大的可以达到数十吨。但是，直升机的旋翼和轴之间有活动的机械连接部件，从而导致直升机的控制复杂，飞行控制算法复杂，遥操作的难度大。

上述无人飞行器都具有垂直起降的特点，已经广泛地用于各种领域。然而由于无人飞行器的遥操作需要从飞行器的飞控系统到无线通讯、遥操作交互系统、界面等各方面的总体设计，而火灾或其它灾害现场情况复杂，因此目前还没有用于火灾或者其他灾害现场的灾难救援和灭火无人机。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发射型灾难救援和灭火无人机，包括无人机本体、灭火弹或救援物资发射装置、视觉瞄准、视觉导航及传感装置、宽带无线传输装置以及地面遥操作控制装置等五部分，利用遥操作垂直起降无人飞行器的优势，装载灾难救援物资或灭火弹飞抵灾害现场，通过机载瞄准装置和发射装置，准确地投掷灭火弹实现灭火，或者投掷救援物资实施救援。

所述的垂直起降无人机本体为多旋翼无人机，或无人直升机，提供遥操作灭火和救援飞行器的飞行本体，为发射装置、瞄准装置等提供飞行运载本体；机载的电源为整个飞行系统，以及无人机的飞控子系统、遥操作子系统、发射子系统等提供能够能源。机载的电源一般为能量密度比较高的电源装置，如锂离子电池、氢电堆发动机等。所述的无人机本体上安装有照明和信号灯，其中信号灯以一定的频率闪烁，而照明灯用于夜间飞行，使得遥操作人员及飞行器附近的人员易于观察。

所述的视觉瞄准、视觉导航及传感装置至少包括测距传感器，红外/可见光视觉传感器，温度传感器，风速传感器等多种传感器，并根据实际需要而加装用于对火灾或者灾难现场进行观察和测量的传感器。

所述的宽带无线通讯装置包括机载编码模块和信号发射模块，以及地面的解码模块和接收模块，用于将视觉等传感器信息，经过编码后发送到地面的遥操作控制子系统，使得地面操作人员能够实时掌握现场情况，同时，地面的操作信息也经过加密编码后发送到飞行器，用于操作控制整个飞行器及系统。

所述的地面遥操作控制装置包括用于控制的操纵杆、各种操作开关、一个或多个显示屏用于显示视觉传感器传回来的现场视频，温度、风速等传感器传回来的现场状况，以及飞行器本体传感器所传回来的飞行器姿态、飞行速度、航向、位置、飞行器机载电源状态等信息。所述的地面遥操作控制装置的一种配置方式是安装在专业的车上，其车顶可以为遥操作飞行器提供起飞和降落的场地，从而为遥操作飞行器提供地面运输工具。所述的地面遥操作控制装置的一种配置方式是将遥操作装置和可拆卸电池一起整体集成在一个专业的旅行箱内，从而实现快速运输，在取出电池后，该遥操作装置可以普通的航空托运。

在火灾等灾难发生后，所述的遥操作灾难救援和灭火飞行器系统，通过公路、飞机等运输到灾难或火灾现场附近一个相对安全的地方，展开安装后，先给地面遥操作控制装置上电，自检无误后，再给飞行器上电，等飞行器自检通过，遥操作装置和飞行器建立好联系后，即可以给飞行器加载灾难救援物资或灭火弹等载荷，飞行器进入准备起飞状态，飞行器的警示灯开始闪烁，如果在夜航状态，飞行器标志灯也同时开启。

经过训练合格的遥操作人员，操作飞行器起飞，执行灾难救援或灭火任务。飞行器在起飞阶段，升力旋翼逐步加速，提供飞行器的升力，飞控系统根据需要控制飞行器的稳定和姿态。随着升力旋翼的速度增加，飞行器从地面垂直升起，飞向灾难现场。同时，机载的光学、温度等传感器开始通过机载电脑加密后经无线通信向地面遥操作控制装置传回现场情况和飞行状态信息。在执行任务阶段，遥操作人员在飞行器到达现场后，采用机载瞄准装置，瞄准目标，发射救援物资或灭火弹。由于该飞行器载有多个救援物资或灭火弹，因此，遥操作人员可以根据需要，重复发射救援物资或灭火弹的操作，实现一个架次的飞行，多点救援或灭火操作。

实施救援或灭火任务后，飞行器飞回指定地点。在降落阶段，升力旋翼逐步降低速度，飞行器随着升力旋翼旋转速度的降低，从空中垂直降落到地面，无需滑跑或者借助降落伞等设备。飞行器降落后，通过加载燃料或更换电池，加载新的救援物资或灭火弹后，可以再次执行任务。

本发明的遥操作灾难救援和灭火垂直起降飞行器系统，通过集成智能化的飞控算法、遥操作算法、飞行器本体、救援载荷、灭火载荷、通讯编解码及地面遥操作装置等一体，实现遥操作的救援和灭火系统。本发明的遥操作飞行器可挂载多种载荷，执行灾难救援、灭火、战场支援等多种任务。

为解决上述技术问题，本发明采用的如下技术方案：

(1)一种发射型灾难救援和灭火无人机，包括无人机本体(能垂直起降)、发射装置(用于发射救援物资或灭火弹)、视觉瞄准、视觉导航及传感装置、宽带无线传输装置以及地面遥操作控制装置；所述发射装置、视觉瞄准、视觉导航及传感装置、宽带无线传输装置的编解码模块和信号收发天线安装在无人机本体上；所述的地面遥操作控制装置独立于无人机本体，通过无线信号传输操作指令到飞行器，同时接收并显示无人机发回的传感器信息；所述宽带无线传输装置的地面信号收发天线和地面遥操作控制装置相连接，其信号经过地面遥操作控制装置内的信号编解码模块编解码后和无人机本体进行通讯联系。

(2)根据(1)所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述无人机本体为四轴或六轴或八轴多旋翼无人机，能垂直起降，为所述发射装置、视觉瞄准、视觉导航及传感装置、宽带无线传输装置的编解码模块和信号收发天线等提供飞行运载本体。

(3)根据(1)或(2)所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述无人机本体为由单旋翼或双旋翼及尾部旋翼所组成的无人直升机，为所述的救援物资或灭火弹发射装置、视觉瞄准、视觉导航及传感装置、宽带无线传输装置的编解码模块和信号收发天线等提供飞行运载本体。

(4)根据(1)-(3)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述无人机本体包含机载电源和起落架，机载电源一般为能量密度比较高的电源装置，如锂离子电池、氢电堆发动机等，所述的机载电源为飞行本体、飞控子系统、遥操作子系统、发射子系统等提供能够能源；所述的垂直起降无人机本体上安装有照明和信号灯，其中信号灯以一定的频率闪烁，而照明灯用于夜间飞行，使得遥操作人员及飞行器附近的人员易于观察。

(5)根据(1)-(4)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述发射装置为水平发射装置，成对地安装在无人机本体下方。

(6)根据(1)-(5)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述发射装置包括水平发射筒、悬挂钩、电磁开关及电磁点火等部件；所述的水平发射筒为中空薄壁结构，两端有自闭式门，用于降低风阻并为其内部的电磁开关、电磁点火部件、灭火弹等提供防水、防风保护；所述的悬挂钩、电磁开关、电磁点火部件等置于水平发射筒内；所述的灭火弹或救援物资置于水平发射筒内，并悬挂于电磁开关所控制的悬挂钩上；在接收到发射指令后，所述的电磁开关控制悬挂钩松开，同时电磁点火部件点燃灭火弹或救援物资后部的火箭推进器，将救援物资或灭火弹自水平发射筒内加速推出，发射至遥操作人员所瞄准的地方。

(7)根据(1)-(6)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述视觉瞄准、视觉导航及传感装置至少包括测距传感器、红外/可见光视觉传感器、温度传感器或风速传感器，并可根据实际需要而加装用于对火灾或者灾难现场进行观察和测量的其他传感器，安装在无人机本体上，并由无人机本体的机载电源供电；所述的多种传感器获取到的信号发送到无人机本体中的信息处理模块中，经过压缩和编码后，通过机载无线通讯模块，发送到地面遥操作装置中。

(8)根据(1)-(7)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述的宽带无线通讯装置包括机载编解码模块和信号放大、收发模块、机载天线，以及地面遥操作控制装置内的编解码模块和信号放大、收发模块，地面天线。

(9)根据(1)-(8)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述的机载天线和地面天线为全向天线，用于无人机本体和地面遥操作控制装置之间的距离为数百米内的近距离宽带通讯；所述的宽带无线通讯装置用于将视觉等传感器信息，经过编码后发送到地面的遥操作控制子系统，使得地面操作人员能够实时掌握现场情况，同时，地面的操作信息也经过编码后发送到飞行器，用于操作控制整个飞行器及系统。

(10)根据(1)-(9)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述的机载天线和地面天线为自动追踪定向天线，根据地面天线的gps位置和无人机本体当前的gps位置，自动调节定向天线的方向，使得两者始终保持面对面的通讯状态。所述的机载天线和地面天线为自动追踪定向天线用于无人机本体和地面遥操作控制装置之间的距离为数十千米内的远距离宽带通讯；所述的宽带无线通讯装置用于将视觉等传感器信息，经过编码后发送到地面的遥操作控制子系统，使得地面操作人员能够实时掌握现场情况，同时，地面的操作信息也经过编码后发送到飞行器，用于操作控制整个飞行器及系统。

(11)根据(1)-(10)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述地面遥操作控制装置包括操纵杆、操作开关和显示屏，所述显示屏用于显示视觉传感器传回来的现场视频，飞行器本体传感器所传回来的飞行器姿态、飞行速度、航向、位置、飞行器机载电源状态等信息，以及其他传感器传回来的温度、风速等传感器传回来的现场状况。

(12)根据(1)-(11)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述的地面遥操作控制装置和可拆卸电池一起整体集成在旅行箱内，从而实现快速运输，在取出电池后，该遥操作装置可以普通的航空托运。

(13)根据(1)-(12)任一项所述的发射型灾难救援和灭火无人机，所述的地面遥操作控制装置安装在专用车的车厢内，所述专用车的车顶为遥操作飞行器提供起飞和降落的场地，车载电源为地面遥操作装置提供电源，车辆本身为发射型灾难救援和灭火无人机提供地面运输工具。

本发明提供的发射型灾难救援和灭火无人机，为采用垂直起降无人机运载、高带宽通讯、地面遥操作控制等部分所组成的空中灾难救援和灭火系统，将灾难救援从地面扩展到空中，可以用于地面难以企及的高楼救援和灭火，森林火灾，或者海面事故救援、灭火等。本发明采用的遥操作方案，其下行的传感器信息和上行的操作指令均采用加密算法和宽带传输，保证了上下行信号传输的效率和抗干扰性能。本发明提供的救援物资和灭火弹发射装置为通用装置，可以发射灭火弹等多种救援、灭火物资。火箭推动的水平发射装置还可以装载破窗器，用于高楼救援时击破玻璃幕墙、玻璃窗等，利于高楼救援和逃生。

现有技术中，多旋翼无人机或直升机的操作均通过目视进行，只能在可视范围内使用，不具有下行传感器信息和上行遥操作信息的加密宽带传输，和本发明的技术有着本质的区别。现有技术中，地面的救火车和空中的救援直升机，均为有人操作，和本发明的技术有着本质的区别。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为具有四个发射装置的六旋翼灾难救援、灭火无人机的俯视结构示意图；

图2为具有四个发射装置的六旋翼灾难救援、灭火无人机的前视结构示意图；

图3为具有四个发射装置的六旋翼灾难救援、灭火无人机的侧视结构示意图；

图4为具有四个发射装置的直升机灾难救援、灭火无人机的俯视结构示意图；

图5为具有四个发射装置的直升机灾难救援、灭火无人机的前视结构示意图；

图6为具有四个发射装置的直升机灾难救援、灭火无人机的侧视结构示意图；

图7为遥操作平台结构示意图。

图中，1为无人机本体，2为无人机旋翼，3为机载电源，4为视觉瞄准、视觉导航及传感装置，6为起落架，7为发射装置，8为发射装置内的电控触发机关,10为视觉瞄准、视觉导航传感器，11为通讯天线，13为图传天线，12和14为显示屏，分别显示图传的现场视频和飞行器的飞行参数；15为飞行控制按键；16为可升降的飞行器操作手柄，17为飞行控制旋钮；18为旅行箱。

具体实施方式

实施例1：一种六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机

如图1、2、3、7所示，一种六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机，包括无人机本体1，六个无人机旋翼2，及起落架6；机载电源3为整个无人机本体的飞行、飞行器系统的遥操作、通讯等提供电源；视觉瞄准、视觉导航及传感装置4，为遥操作发射提供下视的视频图像和目标瞄准，使得遥操作者能够根据现场视频和瞄准装置而进行准确地发射；发射装置7挂在无人机本体的机臂上，共可以挂四个，所述的发射装置内有电控触发机关8，可以根据遥操作的指令打开发射装置，释放灭火弹或救援物质；遥操作平台包括通讯天线11和图传天线13，用于分别传输视频图像和无人机系统飞行参数；从现场和无人机回传的现场视频和无人机飞行数据分别显示在显示屏12和14上；遥操作平台集成在旅行箱18内，内装电池，为整个操作平台提供电源，并方便运输；所述的遥操作平台箱体内有各种飞行控制按键15；可升降的飞行器操作手柄16，及飞行控制旋钮17，用于对无人机和发射装置的控制。

所述的六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机具体控制方法如下：

(1)系统运输：由于灾难发生的不确定性，而无人机本体的飞行距离和飞行时间均是有限的。因此，真正实施救援前，需要将所述的六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机用其他交通工具运抵现场附近安全且场地开阔，空中障碍物少，易于飞行器起降的地方，展开部署，等待系统自检完毕。

(2)救援飞行：遥操作手在等待系统自检完毕，系统一切正常后，开始对所述的六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机进行装弹或救援物资，由于救援物资悬挂装置位于机臂上，因此，救援物资必须成对悬挂，飞行器自动投放。遥操作手在检查无误后，进入起飞操作程序。

(3)遥操作飞行：遥操作手在确认系统一切正常，明确飞行目的地的gps坐标、救援任务后，慢慢推动飞行器的油门，使得飞行器缓慢起飞，进一步检查飞行器回传的视频图像、飞行参数等一切正常后，将飞行器飞到指定高度并非达救援地点，根据飞行器传回的视频图像和瞄准地点，投放灭火弹或救援物资，同时在确认后及时飞离现场。

(4)多次飞行：遥操作手在执行完毕任务后，确认系统一切正常，重新为所述的无人机加载灭火或救援物资，更新系统能源，再次明确飞行目的地的gps坐标、救援任务后，慢慢推动飞行器的油门，使得飞行器缓慢起飞，进一步检查飞行器回传的视频图像、飞行参数等一切正常后，将飞行器飞到指定高度并非达救援地点，根据飞行器传回的视频图像和瞄准地点，投放灭火弹或救援物资，同时在确认后及时飞离现场。

传统的多旋翼无人机，使用遥控器操作，并不具有发射和实时视频传输、遥操作等功能，不构成遥操作飞行发射系统，与本发明所述的六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机构成原理和发射原理等方面完全不同。

传统的地面火灾现场救援或灭火机器人，使用遥控器操作，并不具有飞行发射、实时视频传输、遥操作等功能，不构成遥操作飞行发射系统，与本发明所述的六旋翼发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机构成原理和发射原理等方面完全不同。

实施例2：一种直升机发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机

如图4、5、6、7所示，一种直升机发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机，包括无人机本体1，无人机旋翼2，及起落架6；机载电源3为整个无人机本体的飞行、飞行器系统的遥操作、通讯等提供电源；视觉瞄准、视觉导航及传感装置4，为遥操作发射提供下视的视频图像和目标瞄准，使得遥操作者能够根据现场视频和瞄准装置而进行准确地发射；发射装置7挂在无人机本体的机臂上，共可以挂四个，所述的发射装置内有电控触发机关8，可以根据遥操作的指令打开发射装置，释放灭火弹或救援物质；遥操作平台包括通讯天线和图传天线11与13，用于分别传输视频图像和无人机系统飞行参数；从现场和无人机回传的现场视频和无人机飞行数据分别显示在显示屏12和14上；遥操作平台集成在旅行箱18内，内装电池，为整个操作平台提供电源，并方便运输；所述的遥操作平台箱体内有各种飞行控制按键15；可升降的飞行器操作手柄16，及飞行控制旋钮17，用于对无人机和发射装置的控制。

所述的直升机发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机具体控制方法如下：

(1)系统运输：由于灾难发生的不确定性，而无人机本体的飞行距离和飞行时间均是有限的。因此，真正实施救援前，需要将所述的直升机型发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机用其他交通工具运抵现场附近安全且场地开阔，空中障碍物少，易于飞行器起降的地方，展开部署，等待系统自检完毕；

(2)救援飞行：遥操作手在等待系统自检完毕，系统一切正常后，开始对所述的直升机型发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机进行装弹或救援物资，由于救援物资悬挂装置位于机臂上，因此，救援物资必须成对悬挂，飞行器自动投放。遥操作手在检查无误后，进入起飞操作程序。

(3)遥操作飞行：遥操作手在确认系统一切正常，明确飞行目的地的gps坐标、救援任务后，慢慢推动飞行器的油门，使得飞行器缓慢起飞，进一步检查飞行器回传的视频图像、飞行参数等一切正常后，将飞行器飞到指定高度并非达救援地点，根据飞行器传回的视频图像和瞄准地点，投放灭火弹或救援物资，同时在确认后及时飞离现场。

(4)多次飞行：遥操作手在执行完毕任务后，确认系统一切正常，重新为所述的无人机加载灭火或救援物资，更新系统能源，再次明确飞行目的地的gps坐标、救援任务后，慢慢推动飞行器的油门，使得飞行器缓慢起飞，进一步检查飞行器回传的视频图像、飞行参数等一切正常后，将飞行器飞到指定高度并非达救援地点，根据飞行器传回的视频图像和瞄准地点，投放灭火弹或救援物资，同时在确认后及时飞离现场。

传统的直升机型无人机，使用遥控器操作，并不具有发射和实时视频传输、遥操作等功能，不构成遥操作飞行发射系统，与本发明所述的直升机型发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机构成原理和发射原理等方面完全不同。

传统的地面火灾现场救援或灭火机器人，使用遥控器操作，并不具有飞行发射、实时视频传输、遥操作等功能，不构成遥操作飞行发射系统，与本发明所述的直升机发射型遥操作灾难救援和灭火垂直起降无人机构成原理和发射原理等方面完全不同。

上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其他的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。