本发明涉及无人机灭火技术领域，具体涉及一种高层建筑消防灭火无人机。
背景技术：
随着我国经济的发展，城市高层建筑越来越多，随之而来的高层建筑火灾也逐渐增多，严重危害了人们的生命和财产安全。目前世界各国已研制了一些用于高层建筑消防的设备，有登高云梯、消防炮、消防直升机、手持式灭火弹等。但由于装备能力有限，往往不能取得理想的效果。比如现有的消防水罐车喷水能力仅仅为8层楼高，最高的云梯车举高能力也只有100m左右，对于更高的建筑火灾来说，这些设备也无能为力。
申请号为201610452591.5，名称为一种水系灭火剂及其与消防无人机结合的灭火方法的发明专利提出了一种水系灭火剂灭火的消防无人机。该专利提出使用消防无人机携带高压水炮喷头及消防液输送管路飞到着火位置，水平喷射灭火剂进行灭火。该专利提出的方法由于受消防液输送管路及喷头的重量限制，很难飞到较高的楼层。
申请号为201520729556.4的发明创造中提出了一种消防灭火无人机，该发明创造同时使用水和灭火弹灭火有助于提高灭火效率，灭火弹发射筒的方向可以调节，提高了无人机灭火的准确性。但是由于无人机的载重有限，水罐占据很大一部分重量，使得无人机无法对太高的高楼进行灭火。
申请号为201720896766.1，名称为高空系留式无人灭火系统的发明专利提出了一种通过发射灭火弹进行灭火的系留无人机，该发明结合系留无人机和消防灭火弹的优势，可对高层建筑进行灭火。但是由于系留无人机通过电缆供电，电缆的长度限制了无人机上升的高度，同时电缆的自身重量使得无人机的载重下降，灭火效率较低。
申请号为201710604634.1，名称为一种高空消防灭火无人机的发明专利提出了一种通过发射灭火弹进行灭火的八旋翼无人机，该专利提出使用无人机携带灭火弹至着火点通过发射灭火弹进行灭火，实现了常规消防设备无法达到的高楼或超高楼的灭火，提高了无人灭火系统的单次灭火能力。但是由于灭火弹放置在机身上方，全机重心较高，无人机的稳定性较差，对灭火弹的发射精度造成一定的影响。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的稳定性较差和灭火效率较低的不足，本发明提出了一种高层建筑消防灭火无人机。
本发明包括飞行动力系统、机身、供电电源、灭火弹发射装置和起落架。其中，所述机身固定在起落架的上端。所述飞行动力系统包括6～12组动力组件，各组动力组件分别安装在机身各机臂的悬臂端。所述飞行动力系统的供电电源安装在所述机身的上表面。灭火弹发射装置位于所述机身的下表面。所述灭火弹发射装置包括发射导轨和发射架。其中的发射架悬挂在机身盒体的下表面，发射导轨位于该发射架的下端。
所述动力组件的数量相同为偶数。
所述动力组件包括螺旋桨、无刷直流电机和电机座。其中，各无刷直流电机分别安装在位于各机臂悬臂端的电机座上，并使其中1/2个无刷直流电机位于电机座的上表面，使其中的另1/2个无刷直流电机位于电机座的下表面；所述位于电机座上表面的无刷直流电机与位于电机座下表面的无刷直流电机间隔交替排布，以避免各螺旋桨之间气流的相互干扰。
所述固定在各机臂的悬臂端的电机座横剖面的几何中心与所述机臂的中心线重合。
所述机身包括机身盒体、短机臂、长机臂、机臂连接件。所述机身盒体的近似矩形，在该机身盒体的侧板上安装有6～12个机臂连接件，用于连接有机臂。所述的机臂分为长机臂和短机臂，并且长机臂的数量与短机臂的数量相等；所述长机臂均分为两组，两组长机臂分别位于所述机身盒体的两个长边上；所述短机臂均分为两组，两组短机臂分别位于所述机身盒体的两个短边上。
所述长机臂的长度与所述短机臂的长度之比为7:5。用于发射架的连接管17安装在机身盒体的下表面。
所述发射导轨的长度根据灭火弹在轨滑行长度相同；灭火弹在轨滑行长度为S＝V02/2a，其中V0为灭火弹的离轨速度，a为灭火弹的滑行加速度。
所述机臂连接件一端为机身盒体连接端，一端为机臂连接端；机身盒体连接端有用于连接机身盒体的螺孔，机臂连接端的外圆周表面有螺纹，内表面有与机臂快拆接头的连接柱表面的凹槽相配合的凸台，以防止机臂沿圆周向转动。
当各所述机身盒体、机臂、电机座与无刷直流电机四者装配后，使位于各机臂悬臂端的无刷直流电机的中心线处于同一空间圆的圆周上。
机臂快拆接头包括连接柱和紧固套，所述连接柱长端的外径与机臂内径相同，插入机臂碳管内并通过螺栓固定在碳管上，另一端插入机臂连接件的机臂连接端；所述紧固套的内表面有螺纹，紧固套的内表面通过螺纹固定在机臂连接件上，以防止机臂从该机臂连接件中滑脱。
本发明将多旋翼无人机技术与灭火弹发射技术相结合，提供了一种高层建筑消防灭火无人机，能够解决高层建筑灭火难题。
本发明提供的高层建筑消防灭火无人机的具体使用方式为：
消防人员接到火灾报警后，驾驶消防车装载消防无人机到达火灾现场，消防人员在5分钟内迅速展开无人机并安装灭火弹，准备就绪后使用遥控器使无人机上升到着火楼层高度。无人机悬停后地面消防人员通过瞄准系统瞄准起火房间窗户，通过地面站或遥控器向起火房间窗户内发射灭火弹进行灭火。灭火弹在推进装置的作用下沿导轨滑行，在外弹道某轨迹点上经由建筑物窗口进入火场内部，在弹体撞击到玻璃时引信解除保险，进入预备起爆状态，同时温度传感器开始对环境温度信息进行采样，且内部计时器开始计时。在计时时间内，温度传感器持续采集环境温度信息，在达到预设温度阈值后，引信起爆中心爆管，实现灭火剂在火场内的弥散，达到有效灭火的目的。消防无人机发射4枚灭火弹后返回地面，由地面消防人员补充灭火弹和更换电池以进行新的灭火任务。
本发明提供的高层建筑消防灭火无人机具有以下优点：
有效提高消防灭火作业的高度。打破了常规消防设备对灭火高度的限制，可以飞到现在的高/超高层建筑的最高高度，八旋翼无人机携带灭火弹可以上升至任意高度向起火房间发射灭火弹，并且可在密集的城市楼群的狭小空间进行作业，这是普通地面消防设备如：消防炮、消防水罐车、登高云梯等所达不到的。
灭火能力强。本发明将多旋翼无人机技术与灭火弹发射技术相结合，单次可携带4枚灭火弹，通过灭火剂的弥散进行灭火，单枚灭火弹的灭火范围可达90立方米，单次灭火范围可达360立方米，单次灭火能力强，能够实现快速部署、应急机动性强。该消防无人机从安装灭火弹到执行任务所需时间仅为5分钟，为高层建筑灭火救援节约宝贵的时间；该无人机可以根据火情在空中临时变更飞行航线，其应急机动性是常规地面消防装备不能比拟的。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的正视图；
图3为图2的侧视图；
图4为图2的俯视图；
图5为机身的轴测图；
图6为图5的正视图；
图7为图5俯视图；
图8为图5的侧视图；
图9为机身盒体内部的结构示意图；
图10为机臂连接件的结构示意图，其中，图10a是机臂连接件的轴测图，图10b是机臂连接件的分解图；
图11为长机臂11沿A-A截面的二维剖视图，其中，图11a是主视图，图11b是图11a中A-A向视图；
图12为连接管的结构示意图；
图13为连接管与机身下表面连接示意图；
图14为灭火弹与导轨的配合示意图；
图15为发射架的结构示意图；
图16为管夹的结构示意图；
图17为机身、发射架、导轨和灭火弹之间的配合示意图；
图18为起落架接头的结构示意图，其中，图18a是轴测图，图18b是图18a的剖视图；
图19为碳管转接件的结构示意图。图中：
1.飞行动力系统；2.机身；3.供电电源；4.灭火弹发射装置；5.起落架；6.螺旋桨；7.无刷直流电机；8.电子调速器；9.电机座；10.短机臂；11.长机臂；12.机臂连接件；13.上盖板；14.开口盖；15.下盖板；16.侧板；17.连接管；18.电池盒；19.电池；20.电池盒连接件；21.灭火弹；22.导轨；23.发射架；24.管夹；25.起落架主体；26.起落架接头；27.水平碳管；28.支撑碳管；29.连接件；30.碳管转接件；31.GPS；32.机身盒体；33.连接柱；34.紧固套。
具体实施方式
本实施例是一种以多旋翼作为飞行动力的高层建筑消防灭火无人机，包括飞行动力系统1、机身2、供电电源3、灭火弹发射装置4和起落架5。其中灭火弹21的发射方向为无人机的前方。
所述机身2固定在起落架5的上端。所述飞行动力系统1由8组无刷直流电机7以及安装在该无刷直流电机上的螺旋桨6组成；各所述无刷直流电机通过机臂与机身2固连。所述飞行动力系统的供电电源3有两个，安装在所述机身的上表面。灭火弹发射装置4位于所述机身的下表面。电子调速器8位于所述机身盒体的内部，紧贴侧板的内表面放置，侧板上的方形开口用于安装电子调速器，电子调速器的散热片紧贴开口方便散热。GPS31安装在机身前部的上表面。
所述的飞行动力系统1包括6～12组动力组件，各所述的动力组件均包括螺旋桨6、无刷直流电机7和电机座9；本实施例中所述动力组件的数量为8个。
本实施例中，8个电机座分别固定在各机臂的悬臂端，并使各电机座横剖面的几何中心与所述机臂的中心线重合。8个无刷直流电机分别安装在各机臂悬臂端的电机座9上，并使其中4个无刷直流电机位于该电机座的上表面，使其中的4个无刷直流电机位于该电机座的下表面；所述位于电机座上表面的无刷直流电机与位于电机座下表面的无刷直流电机间隔交替排布，使相邻机臂的悬臂端电机座上无刷直流电机的安装位置相反，以避免各螺旋桨之间气流的相互干扰。8个碳纤维制作的螺旋桨6分别安装在各所述无刷直流电机7的输出轴上；所述螺旋桨采用现有技术。
所述机身2包括机身盒体32、短机臂10、长机臂11、机臂连接件12、上盖板13、开口盖14、下盖板15、侧板16和连接管17。为减轻机身的结构重量，所述机身盒体32的外形近似矩形，由上盖板13、开口盖14、下盖板15和侧板16组成。在该机身盒体的侧板上分布有8个机臂连接件12；在各机臂连接件上连接有机臂。所述的机臂分为4个长机臂和4个短机臂；所述4个长机臂均分为两组；两组长机臂分别位于所述机身盒体的两个长边上；所述4个短机臂均分为两组；两组短机臂分别位于所述机身盒体的两个短边上。所述长机臂的长度与所述短机臂的长度之比为7:5。
当各所述机身盒体、机臂、电机座与无刷直流电机四者装配后，使位于各机臂悬臂端的无刷直流电机的中心线处于同一空间圆的圆周上。
所述发射架悬挂在位于机身盒体下表面的连接管17上。
本实施例中：
所述电机座9为铝合金材料，8个所述电机座9分别安装在短机臂10和长机臂11的末端，其碳管夹持端通过螺栓拧紧后加紧短机臂10和长机臂11的末端；
所述短机臂10和长机臂11为碳纤维圆形管材，所述短机臂10和长机臂11的末端与所述电机座9通过螺栓拧紧连接，另一端与所述机臂连接件12通过螺纹旋转拧紧方式连接；其中4根机臂较短，4根机臂较长，长短机臂对称分布，目的是使电机座处于同一圆周上。短机臂10的直径为35mm，长为438mm，长机臂11的直径为35mm，长为580mm；
所述上盖板13、开口盖14、所述下盖板15与所述侧板16均为碳纤维板，连接组成所述机身盒体32，机身盒体内部用于容纳控制系统等电子设备，所述开口盖14是为了便于安放电子设备。
如附图12所示，所述连接管17由5根碳管连接组成，管夹的上半部分固连在机身的下表面，管夹的下半部分与上半部分形成的圆孔套在连接管17上，通过螺栓拧紧使管夹的上下部分加紧连接管，从而使连接管固定在机身下方，此处共有10个管夹起到固定连接管的作用。连接管用于连接发射架，实现灭火弹的挂载。
所述的供电电源包括电池盒18、电池19和电池盒连接件20。其中：所述电池19为锂聚合物电池，用于提供无人机所需的电能，采用成品件。所述电池盒18为碳纤维材料制成的盒子，用于容纳所述电池19。所述电池盒连接件20为铝合金材料，通过螺栓将所述电池盒18与所述上盖板13连接。
所述灭火弹发射装置4包括导轨22和发射架23。其中的发射架23固定在所述机身盒体的下表面。在所述发射架的下表面固定有四根导轨22，该导轨下表面的T形滑槽与所述消防灭火弹上的滑块相配合。
所述发射架23采用铝合金制成，用于悬挂以及发射所述灭火弹21。所述的发射架采用格架结构，包括3～5个相同的挂架和多个连接件，通过各连接件将各挂架之间固连为整体；本实施例中，所述挂架为4个。各所述挂架的下表面均焊接有导轨22。所述导轨22为灭火弹发射引导导轨，采用铝合金制成。导轨的长度根据灭火弹在轨滑行长度确定，灭火弹在轨滑行长度由灭火弹的离轨速度和滑行加速度确定，用运动学公式近似估算，灭火弹在轨滑行长度为S＝V02/2a，其中V0为灭火弹的离轨速度，a为灭火弹的滑行加速度。本实施例中，灭火弹的离轨速度V0＝15m/s，灭火弹的滑行加速度a＝146m/s2，所述导轨22的长度S＝770mm。
如附图16所示，所述灭火弹21悬挂在导轨的下方，灭火弹上的滑块与导轨的T形滑槽相配合，灭火弹锁定装置安装在导轨的后部，用于锁定灭火弹滑块防止灭火弹沿着导轨滑动。导轨的上表面与发射架的下表面焊接；发射架的上表面有螺纹孔，螺栓依次穿过发射架上表面的螺纹孔、管夹下半部分螺纹孔、管夹上半部分螺纹孔后拧紧，使管夹加紧连接管，并使发射架与连接管相连，此处共有8个管夹起到连接发射架的作用。
所述灭火弹21为消防灭火弹，是专门针对空中灭火平台设计的一种机载灭火弹，共4枚。该灭火弹的圆周表面沿轴向固定有2个与导轨22的T形滑槽相配合的滑块。
所述起落架5为框架结构，包括起落架主体25、起落架接头26、水平碳管27、支撑碳管28、连接件29和碳管转接件30；其中：所述起落架主体25由四根支杆组成，并使各支杆的上端与下端不在同一垂直面上，形成了斜撑以增加该起落架的可靠性。各所述支杆的上端通过起落架接头26固定在机身盒体下表面上。两根支撑碳管28对称的安装在起落架主体25的下端；各支撑碳管的一端通过连接件29安装在一根支杆上，另一端通过连接件安装在另一根支杆上；所述的支撑碳管28与发射架23相互平行。
在所述两根支撑碳管28之间对称的安装有两根水平碳管27。各水平碳管的两端分别通过碳管转接件30与所述支撑碳管28固连。所述的水平碳管27与发射架23相互垂直。
所述碳管转接件30采用铝合金制成。该碳管转接件分为两段，一段为圆柱形接头，另一段为圆形的套筒，并且圆柱形接头和圆形套筒的中心线相互垂直。所述圆柱形接头的外径与所述水平碳管27的内径相同，所述圆形套筒的孔径与所述支撑碳管28的直径相适应。在用于连接水平碳管的所述圆柱形接头的圆周上对称的分布有通孔，该圆柱形接头插入到水平碳管内，通过螺栓拧紧固定；在用于连接支撑碳管的所述套筒的圆周上同样分布有用于紧固的通孔，将支撑碳管装入该套筒后，通过螺栓拧紧固定。
所述的起落架接头26为中空回转体。该起落架接头一端为机身盒体连接端，另一端为支杆连接端。所述机身盒体连接端端头处的外圆周表面有径向凸出的三处连接凸耳，在各连接凸耳上开有连接螺孔；所述机身盒体连接端的端面为斜面，该斜面的倾斜角度满足所述起落架主体中各支杆上端与下端不在同一垂直面上的要求。所述支杆连接端的壳体上开有夹紧开口，在该夹紧开口的两侧分别有夹紧耳片，当所述支杆装入该起落架接头26内后，通过螺栓紧固所述两个夹紧耳片，以实现对该支杆的固紧。
所述的管夹24用于将发射架23固定在所述机身2的下表面。该管夹由两个半圆环组成。在各所述半圆环两侧的外圆周表面分别有连接块，各连接块上分别有贯通的连接孔，并使分别位于两个半圆环同一侧的连接孔同心。当两个半圆环对合为整圆后，形成管夹。所述管夹内孔的孔径与连接管17的外径过盈配合。
所述机臂连接件12一端为机身盒体连接端，一端为机臂连接端，机身盒体连接端通过螺栓与机身盒体固定，机臂连接端为中空圆柱回转体，用于与机臂配合形成快速拆卸接头，机臂连接端的圆柱体外表面有螺纹，内表面有凸台与连接柱33表面的凹槽相配合，目的是卡住机臂，防止机臂沿圆周向转动。机臂快拆接头包括连接柱33和紧固套34，所述连接柱33为中空柱体，连接柱长端的外径与机臂内径相同，插入机臂碳管内并通过螺栓固定在碳管上，另一端插入机臂连接件的机臂连接端；所述紧固套34的内表面有螺纹，紧固套的内径与所述机臂连接件12机臂连接端的外径相同，通过紧固套的螺纹拧紧在机臂连接件上，作用是固定机臂，防止机臂插入机臂连接件之后向外滑出。
所述长机臂11为中空回转体，由碳纤维/环氧树脂复合材料加工制成。所述电机座9的碳管夹持端通过螺栓拧紧后加紧长机臂的末端，长机臂的另一端通过快拆接头插入所述机臂连接件12中，并通过螺纹拧紧固定。