基于无人机群组作业的无人机灭火系统的制作方法

本发明涉及一种灭火系统，特别涉及基于无人机群组作业的无人机灭火系统。

背景技术：

随着社会的不断发展，各种各样的高楼大厦鳞次栉比。在改善我们生活环境的同时也埋下了更多的安全隐患。当这些高楼大厦内部发生火情时，由于楼层太高，高压水枪通常无法对其有效灭火，而且消防设备很难及时的运输到起火区域进行灭火，对于目前这种情况，通常的解决办法是通过无人机携带灭火弹起飞，并将灭火弹投放到起火区域从而实现灭火。然而由于环境和火情的复杂，比如火情较大时单个的小型无人机由于自重较轻，而火势产生的气浪过大从而无法靠近火场；而大型的无人机由于较为笨重，机动性不强从而无法满足某些精细的作业。

消防安全一直是民生的焦点，其不仅关系到巨大的财产损失也关系到人民的生命安全，同时火灾扑灭也是一项危险性较大的作业，对消防人员的人身安全造成很大威胁。

自改革开放以来，我国高层建筑大量出现，但目前城市消防部队配备的消防车大都在50米以下，对于超过100米以上的高层建筑却束手无策，同时，由于私家车的普及，道路拥堵情况日益严重，对消防车的快速救援造成困难。另外一些急难险重的情况，比如海上船舶灭火、森林灭火、武器库和核电站灭火等等极端情况，常规地面救援手段都有局限，而且对消防人员的人身安全提出了巨大挑战。

除常规灭火装备外，虽然目前市面上也发明了各种类型的灭火系统，但究其原理，大都采用地面喷射或发射方式，由地面设备或人员接近火源喷射灭火剂、投掷或发射灭火弹进行灭火，但考虑到人身安全、运输方便快捷、空间活动受限、投射精度等因素，现有灭火系统对急难险重情况下的火灾救援不够灵活且不一定完全适用，因此如何设计和研发一套安全、快速、精确、适用于各种急难险重情况下的灭火系统成为业界的难题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：提供一种基于无人机群组作业的无人机灭火系统，无人灭火系统包括：携带有电子感应设备的主无人机和可携带灭火弹的无人机主体，在所述主无人机四周安装有动力机构，所述动力机构为无人机系统提供飞行动力，在所述主无人机下部安装有为电子感应设备提供降温的冷却装置，因此本发明通过主无人机与副无人机的协同工作，再由地面消防员通过控制pc机，在合适的时机切断电磁抓钩的电力供应，来实现灭火弹的精准投放，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

一种基于无人机群组作业的无人机灭火系统包括：携带有电子感应设备的主无人机和可携带灭火弹的副无人机，

在所述主无人机四周安装有动力机构，所述动力机构为无人机系统提供飞行动力，

在所述主无人机下部安装有为电子感应设备提供降温的冷却装置。

其中，在所述副无人机底部安装有用于抓取灭火弹的电磁抓钩，在所述灭火弹顶面设置有用于与电磁抓钩扣合的电磁槽，所述电磁抓钩外部结构为圆柱状，并且圆柱直径小于电磁槽的直径，

优选地，多组副无人机的电磁抓钩可协同带动大型灭火弹，所述电磁槽分布在灭火弹的左右两侧，

地面消防员通过pc机，接收到主无人机传输信息，并在合适的时机切断电磁抓钩的电力供应，来实现灭火弹的精准投放，

优选地，在所述电磁抓钩之间连接有应急切断的电源线。

其中，所述主无人机上携带的电子感应设备包括，

数字电台模块，用于接受各种电子感应设备传输的数据并反馈到地面消防员的pc机上，协助消防员下达正确的指令；

摄像头，可随时观察火灾现场各种突发状况，用于在进行灭火之前对环境进行勘测和对起火区域进行定位，以及确定投弹的位置；

红外感应模块，用于感应外界的温度，可避免无人机在飞行的过程中误入到温度过高的区域；

气动感应模块，用于感应不同热流对空气的扰动，监测火场附近的不规则风速，并将收集到的数据通过数字电台传送消防员的pc上；

温度传感器，用于感应无人机内部安装的电子感应设备的温度。

其中，所述冷却装置包括，密封有冷却物质的冷却仓，所述冷却仓包括若干个腔体，冷却物质封存在腔体内，优选地腔体个数为2-20个，优选地冷却物质为：干冰、冰、水、或冷却基料。

其中，所述主无人机包括无人机主体，所述无人机主体设置在主无人机的中心位置，所述主无人机主体与动力机构通过机臂连接，

所述摄像头安装在无人机本体下方的前端，优选使用两个所述摄像头，并通过并排设置两个摄像头来实现双目视觉算法，优选地，两个摄像头组件的距离为50-150mm。

其中，所述副无人机采用群组作业方式，多个所述副无人机可同步协调飞行，并可携带大型灭火弹，

在火情较小或火场环境较为复杂等需要无人机完成较为机动灵活的任务时，可以采用单个副无人机作业；

优选地，在火情较大时采用群组作业，更优选地，所述副无人机个数为2-12个。

其中，所述动力机构包括叶片，以及为无人机灭火体统提供动力的电机。

其中，所述冷却仓四周安装有冷却管。

其中，所述冷却管从冷却仓延伸到叶片端，所述冷却管采用高分子材料。

其中，所述冷却管缠绕在主无人机的机身上，优选的，冷却管缠绕在主无人机携带的电子感应设备上，并在所述冷却管外部覆盖有高温防护罩，所述高温防护罩在靠近叶片一段设置有散热口，

优选的，所述冷却管的尾部分布在叶片的下侧，所述冷却管开有均匀分布的冷却孔，所述冷却孔可喷射出降低叶片表面温度的雾状冷却气体，

优选的，所述冷却管从主无人机底部冷却仓延平行水平面延伸，所述冷却管终端对应着电子感应器，所述冷却管的终端位置呈扁嘴状，

在温度传感器感应电子感应设备的温度过高后，冷却孔释放冷却气体和/或冷却基料，进而保护电子感应设备,

所述主无人机还包括，

出风口，所述出风口设置在主无人机机臂靠近叶片一侧，所述出风口前后贯通；

进风口，所述进风口设置在所述高温防护罩与无人机主体衔接处，

所述出风口的直径与进风口直径比为1：1.5～3，所述叶片长度与机臂长度比为1:1-2。

根据本发明提供的基于无人机群组作业的无人机灭火系统，具有以下有益效果：

(1)主无人机下部安装有为电子感应设备提供降温的冷却装置，从而避免主无人机进入到温度过高环境的中，造成电子感应设备的损坏；

(2)在火情较大时采用群组作业，所述副无人机在消防员的控制下，实现同步操作，副无人机上部安装有保护罩，避免在副无人机被高温烧毁，所述保护罩采用耐高温，隔热材料，保护副无人机；

(3)大型的灭火弹由至少4架无人机组合运输，待无人机群组靠近起火点后由主无人机标定无人机群组的三维坐标，通过无人机群组的三维坐标与着火点的三维坐标设定无人机的接下来的飞行路线，此时需要考虑风向、风速对飞行轨迹的影响并且采用从火灾现场中得出的偏移修正量来对无人机群组中单个的无人机的飞行状态进行修正；以确保无人机群组能精准达到空投位置。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的中副无人机单体作业结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的基于无人机群组作业的无人机灭火系统示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的无人机灭火系统中冷却管示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的无人机灭火系统中的电磁抓钩部分示意图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的无人机灭火系统中的冷却管和叶片的部分示意图；

图6示出根据本发明一种优选实施方式的无人机灭火系统中冷却管和叶片的部分剖视图；

图7示出根据本发明一种优选实施方式的中副无人机协同作业结构示意图；

图8示出根据本发明一种优选实施方式的无人机灭火系统中的另一种冷却管和叶片的部分示意图；

附图标号说明：

1-无人机主体；

2-叶片；

3-冷却仓；

4-灭火弹；

5-腔体；

6-电磁抓钩；

7-冷却管；

8-电机；

9-冷却孔；

10-电磁槽；

11-电源线；

12-高温防护罩；

13-进风口；

14-出风口；

15-机臂；

001-摄像头；

002-红外感应模块；

003-气动感应模块；

004-数字电台模块；

005-电磁铁ⅰ；

006-灭火弹；

007-电磁铁ⅱ；

008-数字电台模块；

009-消防员pc机。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，所述无人灭火系统包括：携带有电子感应设备的主无人机和可携带灭火弹4的副人机，

在所述主无人机四周安装有动力机构，所述动力机构为无人机系统提供飞行动力，

在所述主无人机下部安装有为电子感应设备提供降温的冷却装置，从而避免主无人机进入到温度过高环境的中，造成电子感应设备的损坏。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，

在所述副无人机底部安装有用于抓取灭火弹4的电磁抓钩6，在所述灭火弹4顶面设置有用于与电磁抓钩6扣合的电磁槽10，所述电磁抓钩6外部结构为圆柱状，并且圆柱直径小于电磁槽10的直径，

优选地，多组副无人机的电磁抓钩6可协同带动大型灭火弹4，所述电磁槽10分布在灭火弹4的左右两侧，

地面消防员通过pc机，接收到主无人机传输信息，并在合适的时机切断电磁抓钩6的电力供应，来实现灭火弹4的精准投放，

优选地，在所述电磁抓钩6之间连接有应急切断的电源线11，此方式应用在一群单体副无人机携带单个灭火弹4的情况，每两个副无人机通过一个连接线连接在一起，所述连接线连接在电源线上，可解决电磁抓钩6无法工作的状况。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，所述主无人机上安装电子感应设备包括，

数字电台模块004，用于接受各种电子感应设备传输的数据并反馈到地面消防员的pc机上，消防员从而下达正确的指令；

摄像头001，可随时观察火灾现场各种突发状况，用于在进行灭火之前进行环境勘测和对于起火区域的定位，以及被投弹点的确定；

红外感应模块002，可避免无人机在飞行的过程中误入到温度过高的区域，(不高于60℃)；

气动感应模块003，用于感应不同热流扰动空域下，火场附近的风速，并将感应到的数据通过数字电台传送消防员的pc；

温度传感器，用于感应无人机上安装的电子感应设备的温度。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，所述冷却装置包括密封有冷却物质的冷却仓3，所述冷却仓3包括若干个腔体5，优选地腔体个数为2-20个，优选地冷却物质为：干冰、冰、水、或冷却基料(如小苏打、碳酸铵、磷酸的铵盐等)和适量润滑剂(硬脂酸镁、云母粉、滑石粉等)、少量防潮剂(硅胶)混合后共同研磨制成的细小颗粒，用二氧化碳作喷射动力，喷射出来的粉末，浓度密集，颗粒微细，盖在固体燃烧物上能够构成阻碍燃烧的隔离层，同时析出不可燃气体，使空气中的氧气浓度降低，火焰熄灭。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-5中所示，所述主无人机包括无人机主体1，所述无人机主体1设置在主无人机的中心位置，所述主无人机主体1与动力机构通过机臂15连接。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-5中所示，所述摄像头001安装在主无人机本体下方的前端，所述摄像头001选用2个通过并排放置实现双目视觉算法，优选地，两个摄像头组件的距离为50-150mm。

本发明中所述的双目视觉算法是本领域的成熟技术，该算法中通过不同位置的左右两个摄像头获得同一场景的两幅视图，通过计算空间点在两幅视图中的视差，获得该点的三维坐标值。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，所述副无人机采用群组作业方式，并可携带大型灭火弹，

在火情较小或火场环境较为复杂等需要无人机完成较为机动灵活的任务时，可以采用单个副无人机作业；

在火情较大时采用群组作业，所述副无人机在消防员的控制下，实现同步操作，优选地，所述副无人机个数为2-12个；

副无人机上部安装有保护罩，避免在副无人机被高温烧毁，所述保护罩采用耐高温，隔热材料，保护副无人机，

但是在特殊的情况下，副无人机可实行自杀式灭火方式。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1和图2中所示，所述动力机构包括叶片2，以及为无人机灭火体统提供动力的电机8。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-6中所示，所述冷却仓3四周安装有冷却管7。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-5中所示，所述冷却管7从冷却仓3延伸到叶片2端，所述冷却管7上分布着若干个冷却孔9，所述冷却管7采用高分子材料，高分子化合物为基础的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。

在根据本发明的一个优选实施方式中，如图1-8中所示，

所述冷却管7缠绕在主无人机的机身上，优选的，冷却管7缠绕在主无人机携带的电子感应设备上，并在所述冷却管7外部覆盖有高温防护罩12，所述高温防护罩12在靠近叶片一段设置有散热口，避免高温对主无人机的直接热辐射，造成整体的电子感应设备的损害，

所述冷却管7上开有冷却孔9，所述冷却孔9开设在靠近感应电子设备的一侧，从而避免电子设备因高温造成失灵或者损坏，

在温度传感器感应电子感应设备的温度过高后，冷却孔9释放冷却气体和/或冷却基料，进而保护电子感应设备，从冷却孔9中释放冷却气体和/或冷却基料，冷却气体和/或冷却基料通过冷却孔9可直达电子感应设备，避免冷空气到达不了准确需要降温的位置。

所述主无人机还包括，

出风口14，所述出风口14设置在主无人机机臂15靠近叶片2一侧，所述出风口14前后贯通；

进风口15，所述进风口15设置在所述高温防护罩12与无人机主体1衔接处，电机8带动叶片2旋转，带动空气流动，形成负压区域，可使空气从进风口15流向出风口15，文氏效应由此产生，此时出风口15处产生类似真空的负压，必将带动气流通过所述高温防护罩12风道与外部空气进行换气流动，从而时刻的将电子感应设备产生的热量和周围的高温空气通过流动的空气带走，不占用空间的同时，也消耗额外能源。

所述出风口15的直径与进风口14直径比为1：1.5～3，文氏效应产生的作用效果最佳。

文丘里效应，也称文氏效应:这种现象以其发现者，意大利物理学家文丘里(giovannibattistaventuri)命名。该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。通俗地讲，这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。

所述温度传感器采用铂rtd，·灵敏度：热敏电阻能随非常微小的温度变化而变化。

精度：热敏电阻能提供很高的绝对精度和误差，成本：对于热敏电阻的高性能，它的性价比很高。坚固性：热敏电阻的构造使得它非常坚固耐用。

灵活性：热敏电阻可配置为多种物理形式，包括极小的包装。

密封：玻璃封装为其提供了密封的包装，从而避免因受潮而导致传感器出现故障。

表面安装：提供各种尺寸和电阻容差，在热敏电阻的劣势中，通常只有自动加热是一个设计考虑因素，必须采取适当措施将感应电流限制在一个足够低的值，以便使自动加热错误降低到一个可接受的值。

非线性问题可通过软件或电路来解决，会引发故障的潮湿问题可通过玻璃封装来解决。

所有传感器都有特定的优势和劣势，要确保项目取得成功，关键是让传感器功能与应用相匹配。

完美的温度传感器：对所测量的介质没有影响，非常精确，响应即时(在多数情况下)，输出易于调节。

所述红外传感器，选用可以承受一定高温的红外传感器，例如otp-539u高温红外温度传感器，

所述气动感应模块选用赛普lc013-nc，

所述数字电台模块可选用美国freewave的mmt-2，工作频率902-928mhz，传输速率115.2k/153.6k，传输距离90公里，工作环境温度要求-40℃到+85℃，能够满足消防作业的需求。

所述冷却管7冷却孔9分布在缠绕在主无人机的机身上，优选的，冷却管7缠绕在主无人机携带的电子感应设备上，并在所述冷却管7外部覆盖有高温防护罩12，所述高温防护罩12在靠近机翼叶片一段设置有散热口，

优选的，所述冷却管7的尾部分布在叶片2的下侧，所述冷却管7开有均匀分布的冷却孔9，所述冷却孔可喷射出降低叶片2表面温度的雾状冷却气体，从而降低叶片2的温度，以及发动机的温度，

优选的，所述冷却管7从主无人机底部冷却仓3延平行水平面延伸，所述冷却管7终端对应着电子感应器，所述冷却管7的终端位置呈扁嘴状，在温度传感器感应到温度过高时打开冷却仓3，冷却仓3内冷却气体或冷却液体在内部压力的作用下喷射出来，直接喷射到需要降温的位置，优选地，冷却管7采用直线式分布，从而提高喷射的冲击力，从而提高降温的效率。

所述主无人机还包括，

出风口14，所述出风口14设置在主无人机机臂15靠近机翼叶片2一侧，所述出风口14前后贯通；

进风口15，所述进风口15设置在所述高温防护罩12与无人机主体1衔接处，

所述出风口15的直径与进风口14直径比为1：1.5～3，所述叶片2长度与机臂15长度比为1:1-2。

主无人的机上携带有各种精密的电子感应设备，价格高昂，因此需要分开主无人机和副无人机，另一方面同时也要对主无人机提供更好的保护，现有的无人机灭火系统并没有分开，往往一次灭火的成本极高。

实施例1

消防员到达火场后，先行派出一架主无人机对现场火灾环境勘察，通过双目视觉技术得到高层建筑的三维地图，然后基于三维地图对高层建筑的起火点进行定位和预判，得出着火楼层的三维坐标，

其中摄像头安装在主无人机本体下方前端，摄像头需选用2个并排放至来实现双目视觉算法，例如中星微zc0301p摄像头，其分辨率是320×240单个重量为20g，两个摄像头组件的距离为用100mm，向前平行放置；用于在进行灭火之前进行环境勘测和对于起火区域的定位，以及被投弹点的确定；

通过得出的起火点坐标靠近火场，同时气动感应模块采集火场的热流分布特性，并且将采集到的信息通过数字电台模块发送给消防员的pc机；消防员基于起火环境下建筑高层区域的温度以及风速的分布特性，通过cfd软件实现热流扰动对于无人机的模拟，大致的定量估算出热流扰动的强度、频率和方向对无人机飞行的俯仰角、横滚角、航向角的影响情况，并得出偏移修正量；所述cfd软件全称为computationalfluiddynamics，即计算流体动力学，cfd是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

通过主无人机传输回来的影像与环境资料判断火情大小，根据火情判断需要投放大型灭火弹还是小型灭火弹；

小型的灭火弹由一架主无人机运输，首先主无人机靠近起火点后标定无人机的三维坐标，通过无人机的三维坐标与着火点的三维坐标设定副无人机的接下来的飞行路线，此时需要考虑风向、风速对飞行轨迹的影响并且采用上述中得出的偏移修正量来对无人机的飞行状态进行修正；以确保副无人机能精准达到空投位置；

大型的灭火弹由至少4架副无人机组合运输，4架副无人机协同作业，4架副无人机群组靠近起火点后，并到达由主无人机标定无人机群组的三维坐标，并校核无人机群组的三维坐标与着火点的三维坐标，确定副无人机群组的接下来的飞行路线，此时需要考虑风向、风速对飞行轨迹的影响并且采用上述得出的偏移修正量来对无人机群组中单个的无人机的飞行状态进行修正；以确保无人机群组能精准达到空投位置；

使用cdf软件估算热流扰动对灭火弹投掷轨迹的影响，最终确定无人机的空投参数；

最终在无人机群组作业时，消防员pc接受从主无人机传输回来的信息，并将得到信息经过pc端处理后，从pc端下达指令，所有指令再由主无人机通过数字电台模块向副无人机群传送，从而实现信息的共享；

副无人机群在接受到由主无人机发出的指令后，判断达到火源点，通过断电装置控制来释放灭火弹，从而精准的对火源进行降温灭火，同时可根据现场的情况作出是否要自杀式灭火的决定，在火情稳定后副无人机群再通过主无人机发出的返回指令后返程，依次循环往复的运作，直到火源被扑灭。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。