一种应用于消防无人机的保护装置及保护装置控制方法

1.本发明涉及无人机设备领域，具体涉及一种应用于消防无人机的保护装置及保护装置控制方法。


背景技术：

2.多旋翼无人机因其起降条件要求低，控制简便，机动灵活等诸多特点，受到了各行业应用的青睐。特别是在消防领域，消防无人机在应对高层建筑火灾灭火、消防器材投送、人员搜救等应用方面取得了非常卓越的成果。但消防无人机在使用过程中也暴露出了一系列的弊端和不足，消防无人机在执行任务过程难以避免的要面对高温、强对流和易爆物品爆炸所产生的冲击波等危险因素。针对火场产生的高温大部分无人机采用了较高效的隔热技术，针对强对流可通过提高飞控系统反应灵敏度予以抵消，但面对易爆物品爆炸产生的冲击波却始终无法解决。
3.冲击波是一种不连续峰在介质中的传播，这个峰导致介质的压强、温度、密度等物理性质跳跃式改变。其特点是波前的跳跃式变化，即产生一个锋面。锋面处介质的物理性质发生跃变，造成强烈的破坏作用。无人机遭遇冲击波时，由于其所面向的空气的物理性质产生跳跃式变化，可对无人机产生推出作用，使其瞬时偏离稳定状态。多旋翼无人机在空中悬停作业时，其主要动力用于产生升力以克服自身重力，在水平方向上的控制力矩十分微小，如果此时遭遇突发的水平方向冲击波产生的推离力矩，无人机便无法立刻通过倾斜机身来消除干扰力矩，且消防无人机大都连接有地面连接管线，在管线的牵引作用下，可造成无人机瞬时失去稳定状态，使其失控或坠毁，造成人员和财产损失。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种应用于消防无人机的保护装置及保护装置控制方法，使得利用消防无人机作业时指向性强的特点，通过监控无人机通过面对的冲击波状态，控制修正装置产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种应用于消防无人机的保护装置，包括气压监测装置、控制装置和修正装置；所述气压监测装置信号连接控制装置，所述修正装置信号连接并受控于控制装置；所述气压监测装置可采集无人机所处环境的气压的数据值，所述控制装置接收该数据值并依据该数据值判断当前无人机面对的冲击波状态，所述控制装置可控制修正装置产生与冲击波相对的反作用力。
7.由于采用了上述技术方案，能够有效检测当前无人机面对的冲击波状态，并通过修正装置产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
8.所述气压监测装置至少包括第一气压传感单元和第二气压传感单元，所述第一气
压传感单元和第二气压传感单元分别沿冲击波来向设于无人机的两端；所述第一气压传感单元可采集靠近冲击波侧的气压数据值p1，所述第二气压传感单元可采集远离冲击波侧的气压数据值p2，控制装置基于气压数据值p1和气压数据值p2计算得到压力差值δp，并依据压力差值δp的大小判断当前无人机面对的冲击波状态。
9.消防无人机作业时具备指向性强的特点，由于采用了上述技术方案，利用第一气压传感单元和第二气压传感单元在受到冲击波时会产生压力差值δp，依据此来判断当前无人机面对的冲击波状态，结构简单，可适用于现有消防无人机的改装。
10.所述修正装置包括气体释放装置、储气装置和气体喷出装置，所述气体释放装置与气体喷出装置连接，所述气体释放装置可拆卸连接有装有压缩气体的储气装置，所述压缩气体可在气体释放装置的调控下沿气体喷出装置喷出产生修正力矩；所述气体释放装置与控制装置信号连接并受控于控制装置；所述修正装置设于无人机远离冲击波的一端；所述气体喷出装置包括连接元件和扩散喷口，所述连接元件一端与气体释放装置连接，另一端与扩散喷口连接，所述扩散喷口的开口方向与冲击波方向一致。
11.由于采用了上述技术方案，通过释放压缩气体产生修正力矩，响应时间短，控制力矩大；扩散喷口可实现压缩气体的高速喷出，响应迅速。
12.所述第一气压传感单元包含两个以上的第一气压传感器，多个第一气压传感器至少设于无人机垂直于冲击波的方向的两端；所述第二气压传感单元包含两个以上的第二气压传感器，多个第二气压传感器至少设于无人机垂直于冲击波的方向的两端；所述第一气压传感单元平行于第二气压传感单元，所述第一气压传感器与第二气压传感器一一对应。
13.由于采用了上述技术方案，可有效扩大冲击波的检测范围，提高冲击波的检测精度，能够更加有效地对无人机进行辅助修正。
14.还包括时间采集装置，所述时间采集装置与控制装置信号连接；所述时间采集装置可采集冲击波锋面到达第一气压传感器的时间t1、以及冲击波锋面到达第二气压传感器的时间t2；所述控制装置基于冲击波锋面到达第一气压传感器的时间t1以及冲击波锋面到达第二气压传感器的时间t2，得到时间差δt，并依据压力差值δp以及时间差δt共同判断当前无人机面对的冲击波状态。
15.由于采用了上述技术方案，通过设置时间采集装置，提高冲击波判断的精准度。
16.还包括姿态监测装置，所述姿态监测装置与控制装置信号连接，所述姿态监测装置与控制装置之间传递有无人机的姿态信号，所述控制装置依据无人机所处环境的气压的数据值以及无人机的姿态信号判断是否关闭修正装置。
17.由于采用了上述技术方案，可确保无人机姿态正常后关闭修正装置。
18.相应地，本发明还公开了一种应用于消防无人机的保护装置控制方法，包括以下步骤：
19.采集步骤：气压监测装置实时采集无人机所处环境的气压的数据值；
20.判断步骤：控制装置对气压的数据值进行处理后得到压力差值δp，将压力差值δp与设定阈值p
阈
作比较，当压力差值δp大于设定阈值时，则判断无人机处于冲击波状态，否则表明无人机处于正常状态；
21.修正步骤：当无人机处于冲击波状态时，控制装置向修正装置传递控制信号，启动修正装置，修正装置产生与冲击波反向的修正力矩，抵消冲击波对无人机的影响，当无人机
处于正常状态时，控制装置向修正装置传递控制信号，关闭修正装置。
22.由于采用了上述技术方案，采集步骤能够对无人机所处环境的气压的数据值进行实时监控；判断步骤能够判断当前无人机面对的冲击波状态；修正步骤能通过修正装置产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
23.在采集步骤中，气压监测装置中的第一气压传感单元采集无人机靠近冲击波一端的气压数据值p1、第二气压传感单元采集无人机远离冲击波一端的气压数据值p2；
24.时间采集装置采集冲击波锋面到达第一气压传感器的时间t1、以及冲击波锋面到达第二气压传感器的时间t2；
25.在判断步骤中，控制装置计算得到压力差值δp，压力差值δp的计算过程如下式1所示：
26.δp＝p1-p2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
27.在式1中，“p1”为第一气压传感单元采集到的气压数据值，“p2”为第二气压传感单元采集到的气压数据值；
28.控制装置计算得到时间差δt，压力差值δt的计算过程如下式2所示：
29.δt＝t2-t1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
30.在式2中，“t1”为冲击波锋面到达第一气压传感器的时间，“t2”为冲击波锋面到达第二气压传感器的时间；
31.当压力差值δp大于设定阈值p
阈
，且时间差δt大于设定阈值t
阈
时，则判断无人机处于冲击波状态，否则表明无人机处于正常状态。
32.由于采用了上述技术方案，利用消防无人机作业时指向性强的特点，基于第一气压传感单元和第二气压传感单元采集的气压数据值p1和气压数据值p2得到压力差值δp，以及依据冲击波锋面到达第一气压传感器的时间t1和冲击波锋面到达第二气压传感器的时间t2来判断当前无人机面对的冲击波状态，精确可靠，结构简单，可适用于现有消防无人机的改装。
33.所述第一气压传感单元包括两个以上的第一气压传感器，所述第二气压传感单元包含两个以上的第二气压传感器，所述第一气压传感器与第二气压传感器的数量匹配且位置对应；第一气压传感单元采集到的气压数据值p1为所有第一气压传感器采集到的气压数据值的总和，第二气压传感单元采集到的气压数据值p2为所有第二气压传感器采集到的气压数据值的总和。
34.由于采用了上述技术方案，可有效扩大冲击波的检测范围，提高冲击波的检测精度，并根据冲击波状态适时调节修正力矩的开关和大小，更加有效地对无人机进行辅助修正。
35.在修正步骤中，所述修正装置包括相互连接的气体释放装置和气体喷出装置，所述气体释放装置接收到控制装置传递的开启信号后，释放压缩气体，压缩气体沿气体喷出装置喷出并产生与冲击波反向的修正力矩。
36.由于采用了上述技术方案，可在收到控制信号后释放压缩气体产生修正力矩，响应速度快。
37.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
38.1、本发明能够有效检测当前无人机面对的冲击波状态。
39.2、本发明通过修正装置产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
40.3、本发明结构简单，可适用于现有消防无人机的改装。
41.4、本发明通过释放压缩气体产生修正力矩，响应时间短，控制力矩大。
42.5、本发明利用消防无人机作业时指向性强的特点，实现对冲击波状态的检测，并根据冲击波状态适时调节修正力矩的开关和大小。
附图说明
43.图1是本发明应用于消防无人机的保护装置的原理图；
44.图2是本发明冲击波监测原理图；
45.图3是本发明应用于消防无人机的保护装置的结构图；
46.图4是本发明应用于消防无人机的保护装置控制方法的流程图。
47.图中标记：1-气压监测装置，2-控制装置，3-修正装置，301-气体释放装置，302-气体喷出装置，4-第一气压传感单元，401-第一气压传感器，5-第二气压传感单元，501-第二气压传感器，6-储气装置，7-姿态监测装置，8-时间采集装置。
具体实施方式
48.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.实施例1
51.一种应用于消防无人机的保护装置，如图1、3所示，包括气压监测装置1、控制装置2和修正装置3；所述气压监测装置1信号连接控制装置2，所述修正装置3信号连接并受控于控制装置2；所述气压监测装置1可采集无人机所处环境的气压的数据值，所述控制装置2接收该数据值并依据该数据值判断当前无人机面对的冲击波状态，所述控制装置2可控制修正装置3产生与冲击波相对的反作用力。具体地说，能够有效检测当前无人机面对的冲击波状态，并通过修正装置3产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
52.所述气压监测装置1至少包括第一气压传感单元4和第二气压传感单元5，所述第一气压传感单元4和第二气压传感单元5分别沿冲击波来向设于无人机的两端；所述第一气压传感单元4可采集靠近冲击波侧的气压数据值p1，所述第二气压传感单元5可采集远离冲击波侧的气压数据值p2，控制装置2基于气压数据值p1和气压数据值p2计算得到压力差值δp，并依据压力差值δp的大小判断当前无人机面对的冲击波状态。具体地说，消防无人机作业时具备指向性强的特点，利用第一气压传感单元4和第二气压传感单元5在受到冲击波时会产生压力差值δp，依据此来判断当前无人机面对的冲击波状态，结构简单，可适用于现有消防无人机的改装。
53.所述修正装置3包括气体释放装置301、储气装置6和气体喷出装置302，所述气体
释放装置301与气体喷出装置302连接，所述气体释放装置301可拆卸连接有装有压缩气体的储气装置6，所述压缩气体可在气体释放装置301的调控下沿气体喷出装置302喷出产生修正力矩；所述气体释放装置301与控制装置2信号连接并受控于控制装置2；所述修正装置3设于无人机远离冲击波的一端；所述气体喷出装置302包括连接元件和扩散喷口，所述连接元件一端与气体释放装置301连接，另一端与扩散喷口连接，所述扩散喷口的开口方向与冲击波方向一致。具体地说，通过释放压缩气体产生修正力矩，响应时间短，控制力矩大；扩散喷口可实现压缩气体的高速喷出，响应迅速。
54.所述第一气压传感单元4包含两个第一气压传感器401，两个第一气压传感器401对称设于无人机垂直于冲击波的方向的两端；所述第二气压传感单元5包含两个第二气压传感器501，两个第二气压传感器501对称设于无人机垂直于冲击波的方向的两端；所述第一气压传感单元4平行于第二气压传感单元5，所述第一气压传感器401与第二气压传感器501一一对应。具体地说，可有效扩大冲击波的检测范围，提高冲击波的检测精度，能够更加有效地对无人机进行辅助修正。
55.实施例2
56.实施例2是对实施例1的进一步改进；进一步说明，相同的部件这里不再赘述，如图1、2所示，还包括时间采集装置8，所述时间采集装置8与控制装置2信号连接；所述时间采集装置8可采集冲击波锋面到达第一气压传感器401的时间t1、以及冲击波锋面到达第二气压传感器501的时间t2；所述控制装置2基于冲击波锋面到达第一气压传感器401的时间t1以及冲击波锋面到达第二气压传感器501的时间t2，得到时间差δt，并依据压力差值δp以及时间差δt共同判断当前无人机面对的冲击波状态。具体地说，通过设置时间采集装置8，提高冲击波判断的精准度。
57.当无人机处于正常状态时，第一气压传感单元4和第二气压传感单元5压力变化的时间差δt应趋于0。
58.如图2所示，当冲击波作用于无人机时，在t1时刻，冲击波锋面到达第一气压传感单元4，第一气压传感单元4采集到的气压数据值p1因受冲击波物理特性的影响而显著增大，而第二气压传感单元5采集到的气压数据值p2却未发生明显改变，导致压力差值δp显著增大；在t2时刻，冲击波锋面到达第二气压传感单元5，第二气压传感单元5采集到的气压数据值p2因受冲击波物理特性的影响而显著增大，冲击波锋面从第一气压传感单元4到达第二气压传感单元5所用的时间为时间差δt。当压力差值δp与时间差δt均大于设定阈值时，即可判断无人机遭遇冲击波冲击，由于冲击波速度较快(大于音速)，在微小的时间间隔内，无人机由于惯性作用，仍可以保持短暂稳定。
59.实施例3
60.实施例3是对实施例1、实施例2的进一步改进；进一步说明，相同的部件这里不再赘述，如图1所示，还包括姿态监测装置7，所述姿态监测装置7与控制装置2信号连接，所述姿态监测装置7与控制装置2之间传递有无人机的姿态信号，所述控制装置2依据无人机所处环境的气压的数据值以及无人机的姿态信号判断是否关闭修正装置3。
61.具体地说，可确保无人机姿态正常后关闭修正装置3。
62.实施例4
63.一种应用于消防无人机的保护装置控制方法，如图1-4所示，包括以下步骤：
64.采集步骤：气压监测装置1实时采集无人机所处环境的气压的数据值；
65.判断步骤：控制装置2对气压的数据值进行处理后得到压力差值δp，将压力差值δp与设定阈值p阈作比较，当压力差值δp大于设定阈值时，则判断无人机处于冲击波状态，否则表明无人机处于正常状态；
66.修正步骤：当无人机处于冲击波状态时，控制装置2向修正装置3传递控制信号，启动修正装置3，修正装置3产生与冲击波反向的修正力矩，抵消冲击波对无人机的影响，当无人机处于正常状态时，控制装置2向修正装置3传递控制信号，关闭修正装置3。
67.具体地说，采集步骤能够对无人机所处环境的气压的数据值进行实时监控；判断步骤能够判断当前无人机面对的冲击波状态；修正步骤能通过修正装置3产生与冲击波相对的反作用力，辅助无人机在面对冲击波快速扰动时保持稳定的姿态，减少爆炸冲击波对无人机的影响。
68.在采集步骤中，气压监测装置1中的第一气压传感单元4采集无人机靠近冲击波一端的气压数据值p1、第二气压传感单元5采集无人机远离冲击波一端的气压数据值p2；
69.时间采集装置8采集冲击波锋面到达第一气压传感器401的时间t1、以及冲击波锋面到达第二气压传感器501的时间t2；
70.在判断步骤中，控制装置2计算得到压力差值δp，压力差值δp的计算过程如下式1所示：
71.δp＝p1-p2
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(1)
72.在式1中，“p1”为第一气压传感单元4采集到的气压数据值，“p2”为第二气压传感单元5采集到的气压数据值；
73.控制装置2计算得到时间差δt，压力差值δt的计算过程如下式2所示：
74.δt＝t2-t1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
75.在式2中，“t1”为冲击波锋面到达第一气压传感器401的时间，“t2”为冲击波锋面到达第二气压传感器501的时间；
76.当压力差值δp大于设定阈值p阈，且时间差δt大于设定阈值t阈时，则判断无人机处于冲击波状态，否则表明无人机处于正常状态。
77.具体地说，利用消防无人机作业时指向性强的特点，基于第一气压传感单元4和第二气压传感单元5采集的气压数据值p1和气压数据值p2得到压力差值δp，以及依据冲击波锋面到达第一气压传感器401的时间t1和冲击波锋面到达第二气压传感器501的时间t2来判断当前无人机面对的冲击波状态，精确可靠，结构简单，可适用于现有消防无人机的改装。
78.所述第一气压传感单元4包括两个以上的第一气压传感器401，所述第二气压传感单元5包含两个以上的第二气压传感器501，所述第一气压传感器401与第二气压传感器501的数量匹配且位置对应；第一气压传感单元4采集到的气压数据值p1为所有第一气压传感器401采集到的气压数据值的总和，第二气压传感单元5采集到的气压数据值p2为所有第二气压传感器501采集到的气压数据值的总和。具体地说，可有效扩大冲击波的检测范围，提高冲击波的检测精度，并根据冲击波状态适时调节修正力矩的开关和大小，更加有效地对无人机进行辅助修正。
79.在修正步骤中，所述修正装置3包括相互连接的气体释放装置301和气体喷出装置
302，所述气体释放装置301接收到控制装置2传递的开启信号后，释放压缩气体，压缩气体沿气体喷出装置302喷出并产生与冲击波反向的修正力矩。具体地说，可在收到控制信号后释放压缩气体产生修正力矩，响应速度快。
80.本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
81.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
82.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。