六旋翼灭火无人机的制作方法

本发明属于无人机灭火技术领域，具体涉及一种六旋翼灭火无人机。

背景技术：

随着我国工业化和城市化进程的迅猛发展，100米以上的高层建筑不断增多，随之而来的高层建筑火灾时有发生。由于楼层高，密集度大以及道路通行和场地限制等因素影响，云梯车、高压水枪和地面消防炮等传统的消防设备在面对高层建筑火灾时很难有效发挥作用。高层建筑火灾一旦发生就会造成人员伤亡和巨大的经济损失。针对现有消防设备与高层建筑火灾的严重失衡状况，亟需研制一种灭火效率高、机动性好的新型灭火设备，以解决高层建筑灭火这一世界性难题。

申请号为2016101419566.X的发明创造中提出了一种高楼消防无人机，包括无人机主体、摄像头和水枪，使用无人机携带水枪飞到高空，用水枪喷出的水进行灭火。该发明创造提出的无人机能够提高消防灭火作业的高度、操纵灵活，但是受水枪及其水管的重量限制，难以飞至太高的楼层。

申请号为201720896766.1的发明创造中提出了一种高空系留式无人灭火系统，该发明结合系留无人机和消防灭火弹的优势，可以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，使无人机难以到达很高的楼层。同时电缆的自身重量限制了无人机可以携带的灭火弹数目，灭火效率较低。

申请号为201710604634.1的发明创造中提出了一种八旋翼高空消防灭火无人机，该发明创造使用无人机携带灭火弹飞至着火楼层并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会造成影响。

申请号为201810382139.5的发明创造中提出了一种高层建筑消防灭火无人机，该发明创造通过多旋翼无人机携带多枚灭火弹上升到一定高度进行灭火，灭火效率高。但是由于其结构重量较重并且携带灭火弹数量多，导致无人机起飞重量较大，耗电快，续航时间短，难以上升到较高的楼层执行灭火任务，适用于起火范围大且高度不是很高的楼层灭火，也可以用于起火范围很大人员不能进入的森林灭火；并且该无人机布局为一半螺旋桨位于电机座上表面，一半螺旋桨位于电机座下表面，位于电机座上下表面的螺旋桨间隔交替排布，这样的布局形式虽然减小了无人机的整体尺寸、避免了螺旋桨桨尖的碰撞，但由于部分桨盘存在重叠带来相邻旋翼之间的气动干扰增大，使得气动效率急剧降低，最终使得消防无人机系统的飞行时间大大缩短。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在飞行高度受限、灭火弹的发射精度较低，以及的飞行时间较短的不足，本发明提出了一种六旋翼灭火无人机。

本发明包括飞行动力系统、机身、供电系统、灭火弹发射装置和起落架。其中：所述机身的机身盒体为正六边形盒状结构，机身盒体内部用于放置飞控和导线。供电系统安装在所述机身盒体的上表面。所述灭火弹发射装置安装在所述机身盒体下表面的中部。所述瞄准相机位于机身盒体下表面的中部的前方。起落架安装在所述机身盒体下表面，并位于所述灭火弹发射装置的两侧。其特征在于，在该机身盒体六边形的各角上分别安装有折叠件，机臂的一端通过该折叠件固定在机身盒体上。所述的飞行动力系统包括六组飞行动力组件；各所述飞行动力组件分别安装在所述机臂的悬臂端。

所述六组飞行动力组件分别包括无刷直流电机、碳纤维螺旋桨、电子调速器和电机座。各所述无刷直流电机分别安装在各机臂悬臂端的上表面，在各所述无刷直流电机的输出轴上分别安装有碳纤维螺旋桨，碳纤维螺旋桨的直径为0.66米，螺距为0.21米。在各所述电机座内分别安装有电子调速器，并使各电子调速器的输出线分别与所在电机座上的无刷直流电机的输入线连接。

所述机身盒体底板与上盖板之间通过加强铝柱固接；所述机臂的固定端与所述折叠件的套筒固定连接，机臂的悬臂端与电机座的套筒固定连接。

所述折叠件包括套筒和连接块，并使套筒与连接块之间铰接；所述套筒的一端为机臂连接端，另一端的端面有方形的连接法兰，在该连接法兰的上表面有一对锁扣，并使该锁扣与转轴分别位于该连接法兰两个对称的侧边处；所述套筒的内径与机臂的外径相同。在该套筒圆周表面对称的分布有两个顶紧螺丝的螺孔；所述连接块两侧板上均有用于连接上盖板和底板的螺栓孔，该连接块上表面有弹簧按钮，弹簧按钮下端与锁定杆焊接；

所述灭火弹发射装置包括导轨、闭锁挡弹装置、挂架和加速线圈；其中，该导轨的上表面与挂架的下表面焊接，导轨下部的滑槽与灭火弹上的滑块相配合。闭锁挡弹装置安装在导轨尾部，用于锁定灭火弹滑块防止灭火弹沿着导轨滑动。所述加速线圈套装并固定在所述导轨的中部，使该加速线圈的位置与灭火弹内部电磁线圈的位置对应。该加速线圈的内径＞导轨的外形尺寸与灭火弹的最大外径之和，并使该加速线圈内表面与灭火弹外表面之间有30mm的间隙；

所述加速线圈的总长度L＝140mm，线圈匝数为11匝，加速线圈的螺距为14mm，加速线圈的外径D＝164mm，漆包线的直径d＝4mm。

所述连接块由两块支撑板和一块底板组成，其外形呈“U”形。所述底板的几何中心有机臂内导线的过孔，在该底板下表面有用于安装锁定杆的条形凹槽，并使该凹槽位于该底板的一侧边处。所述凹槽内的两个短边上分别开有条形通孔，锁定杆的两端通过螺母安装在各条形通孔内；在所述底板的一个侧表面的中间开有弹簧按钮安装孔，并使该弹簧按钮安装孔与凹槽的一个长边贯通；弹簧按钮的下端与位于该凹槽内的锁定杆连接。在所述两块支撑板一端的上表面和下表面分别有用于连接上盖板和底板的螺栓孔；所述螺栓孔的的中心线与所述弹簧按钮安装孔的中心线相互平行。

本发明结合多旋翼无人机和消防灭火弹的优势，针对着火高度较高且火灾范围不是很大的楼层灭火，能够有效解决高层建筑灭火这一世界难题。

当消防人员接到高层建筑火灾报警后，迅速驾驶携带六旋翼灭火无人机的消防车前往火灾现场。到达火灾现场后消防人员在5分钟内迅速组装好灭火无人机、将单枚灭火弹安装到发射挂架上并接通灭火弹发控电路。准备工作完成后地面消防人员通过遥控器操纵六旋翼灭火无人机上升至高楼着火点高度，在距离窗口适当位置处悬停，随后消防人员通过地面灭火弹瞄准系统瞄准目标窗口，无人机做相应的姿态和位置微调，瞄准后灭火弹发射控制人员迅速通过地面站按键发射灭火弹。灭火弹首先通过加速线圈加速，获得一定初速度后点燃自身推进装置，灭火弹在自身推进装置的作用下沿导轨滑行，在外弹道某轨迹点上经由窗口进入起火房间内部，灭火弹破窗的同时温度传感器开始对环境温度进行采样，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。灭火无人机发射完一枚灭火弹后由地面操纵人员操纵无人机降落，地面消防人员补充灭火弹并更换电池准备进行下一轮灭火。

本发明提出的单发六旋翼灭火无人机与常规地面消防设备相比具有以下优点：

(1)理论可以实现高达千米的高层建筑灭火。

常规的地面消防设备目前只能扑灭一百米以下的楼房火灾，而本发明提出的单发六旋翼灭火无人机结构重量较轻并且每次只携带一枚灭火弹，可以飞至高达千米的高楼执行灭火任务，适用于火灾范围小、着火楼层较高的高层建筑灭火。

(2)机臂可折叠，体积小、便于运输。

现有消防装备体积大，重量大，难以在城市密集建筑中快速展开使用。本发明提出的单发六旋翼灭火无人机体积小，重量轻，并且机臂可折叠，方便运输，可以轻易快速的在着火大楼附近携带灭火弹垂直起飞并执行灭火任务，解决了现有消防设备“进不去、展不开、反应慢”的难题。

(3)采用电磁线圈助推装置，灭火弹初速度高。

要使灭火弹获得较高的离轨速度，单凭灭火弹自身火药产生推力计算得到的导轨长度较长，这样无人机整体尺寸会变大，为了缩短导轨长度，采用电磁线圈助推装置，在灭火弹火药点燃之前首先使灭火弹有一个初速度，这样可以缩小无人机整体尺寸。

(4)环境适应性好、射击精度高。

本发明的灭火无人机在高层建筑楼宇间的火场复杂大气强紊流环境下抗风稳定性强，可以定点悬停。结合气动、推进、结构和弹道学多个学科，采用一体化设计优化方法，提高了灭火弹弹道的稳定性和射击精度。

附图说明

图1为本发明的轴视图；

图2为图1的正视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的侧视图；

图5为机身2的轴视图；

图6为无人机机臂折叠示意图；

图7为机身盒体内部结构示意图；

图8为折叠件的结构示意图；

图9为电机座的结构示意图；

图10为灭火弹与导轨的配合示意图；

图11为灭火弹、导轨、挂架与机身的配合示意图。

图12为起落架的结构示意图；

图13为转接件的结构示意图；

图14为管夹的结构示意图。

图中：

1.飞行动力系统；2.机身；3.供电系统；4.灭火弹发射装置；5.起落架；6.无刷直流电机；7.碳纤维螺旋桨；8.电子调速器；9.电机座；10.机臂；11.折叠件；12.机身盒体；13.上盖板；14.底板；15.侧板；16.相机挂架；17.瞄准相机；18.GPS定位设备；19.电池盒；20.电池；21.导轨；22.灭火弹；23.闭锁挡弹装置；24.挂架；25.起落架主体；26.支撑管；27.水平加强管；28.转接件；29.管夹；30.连接块；31.套筒；32.弹簧按钮；33.锁定杆；34.锁扣；35.合页；36.加强铝柱；37.加速线圈。

具体实施方式

本实施例是一种六旋翼灭火无人机，包括飞行动力系统1、机身2、供电系统3、灭火弹发射装置4和起落架5。其中：所述机身2的机身盒体12为正六边形盒状结构，机身盒体内部用于放置飞控和导线。在该机身盒体六边形的各角上分别安装有折叠件11，所述机臂10的一端通过该折叠件固定在机身盒体上。所述的飞行动力系统1包括六组飞行动力组件；各所述飞行动力组件分别安装在所述机臂10的悬臂端。供电系统3安装在所述机身盒体的上表面。所述灭火弹发射装置4安装在所述机身盒体下表面的中部。所述瞄准相机17位于机身盒体下表面的中部的前方。起落架5安装在所述机身盒体下表面，并位于所述灭火弹发射装置的两侧。

所述六组飞行动力组件分别包括无刷直流电机6、碳纤维螺旋桨7、电子调速器8和电机座9。各所述无刷直流电机分别安装在各机臂悬臂端的上表面，在各所述无刷直流电机的输出轴上分别安装有碳纤维螺旋桨7，碳纤维螺旋桨的直径为0.66米，螺距为0.21米。在各所述电机座9内分别安装有电子调速器8，并使各电子调速器的输出线分别与所在电机座上的无刷直流电机6的输入线连接；所述电子调速器8采用成品件。所述电机座为壳体结构，由碳纤维材料制成，通过螺栓固定在电机座的壳体上；在该底盖上有散热孔。

所述机身2包括机臂10、折叠件11、机身盒体12、上盖板13、底板14、侧板15、相机挂架16、瞄准相机17和GPS定位设备18。

所述机身盒体12为碳纤维板制成的正六边形盒结构，由上盖板13、底板14和侧板15共同组成了机身盒体。正六边形的边长为180mm，机身盒体内部用于放置飞控和导线，上盖板13上面设有开口盖，以方便安装飞控电子设备。机身盒体底板的上表面焊接有加强铝柱36，为上盖板与底板的连接提供螺丝孔，同时增加中心壳体的强度和刚度；上盖板和底板分别通过螺栓与机身盒体内部的加强铝柱连接；机身盒体的6块侧板垂直的安装在所述上盖板和底板之间，并使各侧板的上端分别嵌入上盖板的卡槽内，使各侧板的下端分别嵌入下盖板的卡槽内；所述各侧板上分布有圆形及条形的减重孔，并且便于内部电子设备散热。在所述机身盒体的六个角上分别有折叠件11。

所述机臂10采用碳纤维圆形管材制成，机臂的直径为30mm，长度为422mm。该机臂的一端与折叠件11固定连接，另一端为悬臂端，机臂10的悬臂端插入电机座的套筒内，通过螺栓拧紧套筒来固定碳管，另一端插入所述折叠件11的套筒内，通过螺栓固定。

所述折叠件11为按压锁扣式折叠件，采用铝合金加工而成，通过按或压的方式进行折叠和展开。折叠件包括套筒31和连接块30，所述的连接块的底端通过合页35铰接在所述套筒端面的连接法兰上，并使该连接块能够绕合页转轴转动。所述套筒的一端为机臂连接端，另一端的端面有方形的连接法兰，在该连接法兰的上表面有一对锁扣34，并使该锁扣与转轴35分别位于该连接法兰两个对称的侧边处；所述套筒的内径与机臂10的外径相同。在该套筒圆周表面对称的分布有两个顶紧螺丝的螺孔；本实施例中，所述套筒的内径为30mm。

所述连接块30由两块方形的支撑板和一块方形的底板组成，其外形呈“U”形。所述底板的几何中心有机臂内导线的过孔，在该底板下表面有用于安装锁定杆33的条形凹槽，并使该凹槽位于该底板的一侧边处。所述凹槽内的两个短边上分别开有条形通孔，锁定杆33的两端通过螺母安装在各条形通孔内；在所述底板的一个侧表面的中间开有弹簧按钮安装孔，并使该弹簧按钮安装孔与凹槽的一个长边贯通；弹簧按钮33的下端与位于该凹槽内的锁定杆连接。使用时，通过按压该弹簧按钮，使锁定杆沿所述条形通孔上下移动，并能够卡入或脱出所述一对锁扣34内，实现连接块的折叠：当需要展开机臂时，按下弹簧按钮，锁定杆下移，转动套筒，使锁扣插入槽内，松开按钮，弹簧的弹性恢复力使锁定杆向上锁紧锁扣；当需要折叠机臂时，按下弹簧按钮，转动套筒使锁扣离开槽后松开按钮。

在所述两块支撑板一端的上表面和下表面分别有用于连接上盖板和底板的螺栓孔；所述螺栓孔的的中心线与所述弹簧按钮安装孔的中心线相互平行。

所述相机挂架15为两根圆形碳管，对称安装在机身前端的中间位置，通过机身前侧板上的圆孔从机身盒体穿出，圆形碳管在机身盒体内的部分通过管夹固定在底板上，外部穿出侧板；所述瞄准相机16通过挂钩挂在相机挂架上，通过挂钩的回弹性卡紧相机挂架；

所述GPS定位设备18通过螺栓固定在上盖板的表面，用于无人机飞行时的定位，采用现有的成品。

所述供电系统3包括：电池盒19和电池20；

所述电池盒19采用碳纤维材料制成，内部用于容纳所述电池20，电池的规格为200mm长*91mm宽*64mm高，电池盒的大小为218mm长*190mm宽*67mm高。电池盒通过连接件使用螺栓固定在机身上盖板的上表面；所述电池20为锂聚合物电池，作为无人机的动力能源，采用现有成品，两块电池并排放置在电池盒内；电池盒的上表面为可拆卸的盖板，便于更换电池。

所述灭火弹发射装置4包括：导轨21、闭锁挡弹装置23、挂架24、加速线圈37；

所述导轨20的长度为770mm，采用高强度铝合金加工而成。所述导轨的上表面与挂架的下表面焊接在一起，导轨下部为T形滑槽，与灭火弹上的滑块相配合。闭锁挡弹装置安装在导轨尾部，用于锁定灭火弹滑块防止灭火弹沿着导轨滑动。灭火弹接收到电信号后点燃灭火弹尾部的微型火箭发动机，同时闭锁挡弹装置释放灭火弹，灭火弹沿着导轨开始滑行；

所述挂架24为梯形镂空结构，由铝合金加工而成。挂架上表面通过所述管夹29夹紧起落架主体25后连接在机身盒体的下表面，挂架上表面开有螺纹孔，螺栓依次穿过挂架上表面、管夹下半部分、管夹上半部分、底板后拧紧，使挂架通过管夹和所述起落架主体25与机身下表面连接；

所述灭火弹21采用现有技术中用于空中灭火平台的机载灭火弹。灭火弹的圆周表面沿轴向固定有2个与导轨21的T形滑槽相配合的滑块，灭火弹内部有用于电磁加速的线圈。

所述加速线圈37套装并固定在所述导轨21的中部，使该加速线圈的位置与灭火弹内部电磁线圈的位置对应。该加速线圈的内径＞导轨21的外形尺寸与灭火弹的最大外径之和，并使该加速线圈内表面与灭火弹外表面之间有30mm的间隙。加速线圈用于在灭火弹自身火药推进器点燃之前给灭火弹一个初始速度，从而缩短导轨的长度，减小无人机的整体尺寸。根据加速线圈37和灭火弹内部的线圈磁场的相互作用原理使灭火弹加速，当加速线圈37通入交变电流时，产生的交变磁场就会在灭火弹内部线圈中产生感应电流，感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生洛仑兹力，使灭火弹加速运动并发射出去。

所述的加速线圈呈螺旋状，用漆包线制成，加速线圈的总长度为140mm，线圈匝数为11匝，加速线圈的螺距为14mm，加速线圈的外径为164mm，漆包线的直径为4mm。

所述起落架5采用铝合金管和铝合金接头组装而成，包括起落架主体25、支撑管26、水平加强管27、转接件28。其中：所述起落架主体25有2个，为铝合金加工而成的梯形弯管，2个支撑管对称分布在两侧，支撑管两端分别与插入起落架主体的支杆内，通过螺栓连接；水平加强管两端分别通过转接件与支撑管连接，并通过螺栓紧固。

所述起落架主体25上方通过管夹连接在机身的下表面，并通过螺栓紧固。

所述管夹29用于将起落架固定在所述机身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起落架主体的外径过盈配合。

所述转接件28采用铝合金制成。该转接件分为两端，一端为圆柱形接头，另一端为套筒，圆柱形接头和套筒的中心线互相垂直。所述圆柱形接头的外径与所述水平加强管27的内径相同，所述套筒的孔径与所述支撑管26的直径相适应。在用于连接水平加强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加强管内，通过螺栓拧紧固定；在用于连接支撑管的所述套筒的圆周上同样分布有用于紧固的通孔，将支撑管装入该套筒后，通过螺栓拧紧固定。