一种集群无人机森林灭火方法与流程

1.本发明涉及无人机应用领域，特别涉及基于集群无人机的森林灭火挂载装置设计、无人机集群森林灭火协同方法研究。


背景技术：

2.近年来，全球森林火灾不断发生，部分森林火灾的严重性引起了世界人民的关注；当前在森林灭火中，无人机得到了一定应用，如何基于集群无人机进行森林灭火成为一项研究课题。
3.当前，面向无人机灭火的专利研究较为丰富，如2018年9月申请的题为“基于无人机群组作业的无人机灭火系统”的发明专利，集成了携带有电子感应设备的主无人机和可携带灭火弹的副人机，通过主无人机与副无人机的协同工作，再由地面消防员控制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；还如2018年6月申请的题为“一种能扑救森林地下火的无人机”的发明专利，无人机机体顶端设有封盖，机体边缘四周设有六个机臂，安装座上设电机；搭载板上设有储水箱，储水箱内填充有灭火剂，能够对森林地下火进行监测、定位及实时有效清理；且能够因地因时制宜，具有足够的处理机制；还如2018年5月申请的题为“一种森林防火系统以及无人机森林防火系统”的实用新型专利，集成了主控单元、太阳能板、dc转换器、蓄电池、稳压模块、烟雾检测器、报警器，具有无人机森林防火功能。


技术实现要素：

4.鉴于上述背景信息，本发明旨在提供一种集群无人机森林灭火方法，对无人机挂载装置进行了设计，给出了无人机集群协同灭火策略，解决了利用集群无人机进行森林灭火问题；为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
5.一种集群无人机森林灭火方法，包括如下步骤：s101、构建单架无人机灭火挂载装置；包括挂载板一、挂载板二、挂载板三、挂载板四；挂载板一、挂载板二、挂载板三、挂载板四的结构均相同，其作用是挂载到无人机的机架上，并保持牢固；还包括左灭火箱、中灭火箱、右灭火箱；左灭火箱、中灭火箱、右灭火箱的结构相同，均为上开口的长方体箱子，材质为碳纤维；左灭火箱、中灭火箱、右灭火箱可根据灭火需求装载相同或不同的灭火材料，如水、沙土、泡沫、干粉、化学阻燃剂等；还包括左灭火箱底板、左灭火箱旋转轴、左箱电磁锁；用户可通过遥控器控制左箱电磁锁的开关，当左箱电磁锁打开时，左灭火箱底板在重力的作用下可绕左灭火箱旋转轴向下旋转，使左灭火箱下口完全打开，左灭火箱中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将左灭火箱底板上抬，使左灭火箱下口关闭，用户可通过遥控器关闭左箱电磁锁，使左灭火箱底板不再移动；还包括中灭火箱底板、中灭火箱旋转轴、中箱电磁锁；用户可通过遥控器控制中箱电磁锁的开关，当中箱电磁锁打开时，中灭火箱底板在重力的作用下可绕中灭火箱旋转轴向下旋转，使中灭火箱下口完全打开，中灭火箱中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将中灭火箱底板
上抬，使中灭火箱下口关闭，用户可通过遥控器关闭中箱电磁锁，使中灭火箱底板不再移动；还包括右灭火箱底板、右灭火箱旋转轴、右箱电磁锁；用户可通过遥控器控制右箱电磁锁的开关，当右箱电磁锁打开时，右灭火箱底板在重力的作用下可绕右灭火箱旋转轴向下旋转，使右灭火箱下口完全打开，右灭火箱中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将右灭火箱底板上抬，使右灭火箱下口关闭，用户可通过遥控器关闭右箱电磁锁，使右灭火箱底板不再移动。
6.所述挂载板一包括伸缩板一、伸缩板二，伸缩板一、伸缩板二的长度均可调节，可适应不同无人机的挂载需求；还包括竖板、灭火箱壁、底板旋转轴、底板、挂板锁、顶板；当挂板锁打开时，底板在重力作用下可绕底板旋转轴向下旋转，此时，可利用顶板和底板夹住无人机的挂载杆；将底板上抬，关闭挂板锁，使底板不再移动。
7.s102、多机协同森林灭火路径规划及实施；第一步，构建无人机协同灭火路径规划神经网络，建立森林火灾情报参数与无人机集群灭火路径规划的对应关系；第二步，向所述无人机协同灭火路径规划神经网络输入实际森林火灾情报及无人机集群参数信息；第三步，从所述无人机协同灭火路径规划神经网络中得到生成的多机协同森林灭火路径规划；第四步，实施多机协同森林灭火。
8.所述无人机协同灭火路径规划神经网络包括信息接收区、神经感知区、学习决策区、信息输出区；信息接收区包括人员信息情况、森林面积、着火范围、现场风速、天气情况、无人机数量、灭火材料、周边居民情况、周边地貌情况、火势情况；人员信息情况包括无人机驾驶员情况、地勤人员情况、指挥人员情况、保障人员情况、专业技术人员情况；森林面积是指森林火灾发生区域中森林的面积数据，包含边界的离散经纬度信息；着火范围是指当前森林火灾的覆盖范围，包括边界的离散经纬度信息；现场风速是指森林火灾现场的风速信息；天气情况包括了森林火灾现场的能见度、阴晴雨雪情况；无人机数量包括了无人机集群的数量信息；灭火材料包括了无人机可搭载的灭火材料信息，如水、泡沫、干粉；周边居民情况包括森林周边居民的数量、居民住宅与森林的距离信息；周边地貌情况是指山川、河流、丘陵、盆地等地貌信息；火势情况包括了火势蔓延速度、当前火势程度信息；神经感知区包括神经细胞矩阵一、神经细胞矩阵二、神经细胞矩阵三、神经细胞矩阵四、神经细胞矩阵五、神经细胞矩阵六、神经细胞矩阵七、神经细胞矩阵八、神经细胞矩阵九、神经细胞矩阵十；神经细胞矩阵一、神经细胞矩阵二、神经细胞矩阵三、神经细胞矩阵四、神经细胞矩阵五、神经细胞矩阵六、神经细胞矩阵七、神经细胞矩阵八、神经细胞矩阵九、神经细胞矩阵十的结构原理均相同，所述神经细胞矩阵的作用是感应信息；学习决策区包括记忆单元、模式调度接口、决策器、学习器；记忆单元的作用是记忆录入信息与输出信息的对应关系；模式调度接口的作用是根据用户指令驱动所述路径规划神经网络进入学习模式或决策模式；决策器的作用是，在决策模式中，根据神经感知区反馈的信息，结合记忆单元的记忆信息决定信息输出区的各项信息；学习器的作用是，在学习模式中，当信息接收区和信息输出区填充信息后，构建神经感知区与信息输出区各项信息间的对应关系，并存入记忆单元中；信息输出区包括人员配置、无人机编队划分、灭火材料配置、无人机路径规划、无人机集群灭火实施策略。
9.所述神经细胞矩阵包括信息输入接口、m行n列个神经存储元、信息输出接口；所述神经细胞矩阵的工作流程为：第一步，假如所述无人机协同灭火路径规划神经网络处于学
习模式，当信息输入接口有信息输入时，假定输入信息为t；第二步，按照行列值从小到大的顺序遍历m行n列个神经存储元，假设当前神经存储元未存储信息，则将t存储在当前神经存储元中，并令信息输出口输出信息t；若当前神经存储元存有信息，且其值为x，则判断x的值是否与t相同，若相同则令信息输出口输出信息x；第三步，假如所述无人机协同灭火路径规划神经网络处于决策模式，当信息输入接口有信息输入时，假定输入信息为t；第四步，按照行列值从小到大的顺序遍历m行n列个神经存储元，假设当前神经存储元未存储信息，则令信息输出口输出空信息；若当前神经存储元存有信息，且其值为x，则判断x的值是否与t相同，若相同则令信息输出口输出信息x。
10.s103、集群无人机补充灭火实施；假设在经过s102后，森林明火已经扑灭，为了巩固集群无人机森林灭火的效果、防止复燃，需要对森林过火地带进行一次全覆盖的补充灭火；集群无人机补充灭火算法为：第一步，设定参数；假定无人机集群中无人机个数为i个，森林过火面积为k，中灭火箱底板114的长为a、宽为b，过火点经纬度的集合为q={(x1,y1),(x2,y2),...(x
n
,y
n
)},x
1，
x2...x
n
为经度信息，y
1，
y2...y
n
为纬度信息，且集合q中相邻点的距离为；第二步，网格划分，将q中相邻的点进行连接，则相邻的四个点可组成一个封闭的区域元素，假设区域元素的集合为r={r1,r2,...,r
j
}；第三步，集群飞行规划，假设j/i=e，j
‑
i*e=p；则设定标记flag为1，标记cal为0，遍历集合r；若flag不为e+1，且cal不为i，则将当前元素放入集合w
flag
中，cal=cal+1；若flag不为e+1，且cal为i，则令标记cal为0，flag=flag+1，将当前元素放入集合w
flag
中，cal=cal+1；若flag为e+1，则将当前元素放入集合u中；则集合r={w1,w2,...,w
e
,u},其中子集合w1,w2,...,w
e
中的元素个数为i个，子集合u中的元素个数为p个；第四步，实施集群无人机补充灭火规划；设定标记teag为1；遍历区域元素集合r={w1,w2,...,w
e
,u}，若当前元素为z，且teag不为e+1，则组织i架无人机对子集合z中的i个区域元素分别进行补充灭火作业，teag=teag+1；若当前元素为z，且teag为e+1，则组织p架无人机对子集合z中的p个区域元素分别进行补充灭火作业。
附图说明
11.图1为本发明所述的一种集群无人机森林灭火方法的步骤图。
12.图2为所述的单架无人机灭火挂载装置的结构图。
13.图3为图2中挂载板一101的结构图。
14.图4为所述无人机协同灭火路径规划神经网络的结构图。
15.图5为所述神经细胞矩阵的原理图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明附图，对本发明的具体实施方式进行描述；一种集群无人机森林灭火方法，包括如下步骤：s101、构建单架无人机灭火挂载装置；由图2所示，101为挂载板一、102为挂载板二、103为挂载板三、104为挂载板四；挂载板一101、挂载板二102、挂载板三103、挂载板四104的结构均相同，其作用是挂载到无人机的机架上，并保持牢固；105为左灭火箱、106为中灭火箱、107为右灭火箱；左灭火箱105、中灭火箱106、右灭火箱107的结构相同，均为上开口的长方体箱子，材质为碳纤维；左灭火箱105、中灭火箱106、右灭火箱107可根据灭火需求装
载相同或不同的灭火材料，如水、沙土、泡沫、干粉、化学阻燃剂等；115为左灭火箱底板、108为左灭火箱旋转轴、116为左箱电磁锁；用户可通过遥控器控制左箱电磁锁116的开关，当左箱电磁锁116打开时，左灭火箱底板115在重力的作用下可绕左灭火箱旋转轴108向下旋转，使左灭火箱105下口完全打开，左灭火箱105中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将左灭火箱底板115上抬，使左灭火箱105下口关闭，用户可通过遥控器关闭左箱电磁锁116，使左灭火箱底板115不再移动；114为中灭火箱底板、109为中灭火箱旋转轴、113为中箱电磁锁；用户可通过遥控器控制中箱电磁锁113的开关，当中箱电磁锁113打开时，中灭火箱底板114在重力的作用下可绕中灭火箱旋转轴109向下旋转，使中灭火箱106下口完全打开，中灭火箱106中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将中灭火箱底板114上抬，使中灭火箱106下口关闭，用户可通过遥控器关闭中箱电磁锁113，使中灭火箱底板114不再移动；112为右灭火箱底板、110为右灭火箱旋转轴、111为右箱电磁锁；用户可通过遥控器控制右箱电磁锁111的开关，当右箱电磁锁111打开时，右灭火箱底板112在重力的作用下可绕右灭火箱旋转轴110向下旋转，使右灭火箱107下口完全打开，右灭火箱107中的灭火物质将在重力作用下全部落下；将右灭火箱底板112上抬，使右灭火箱107下口关闭，用户可通过遥控器关闭右箱电磁锁111，使右灭火箱底板112不再移动。
17.图3为图2中挂载板一101的结构图，由图3所示，201为伸缩板一、202为伸缩板二，伸缩板一201、伸缩板二202的长度均可调节，可适应不同无人机的挂载需求；207为竖板、206为灭火箱壁、204为底板旋转轴、205为底板、203为挂板锁、208为顶板；当挂板锁203打开时，底板205在重力作用下可绕底板旋转轴204向下旋转，此时，可利用顶板208和底板205夹住无人机的挂载杆；将底板205上抬，关闭挂板锁203，使底板205不再移动。
18.s102、多机协同森林灭火路径规划及实施；第一步，构建无人机协同灭火路径规划神经网络，建立森林火灾情报参数与无人机集群灭火路径规划的对应关系；第二步，向所述无人机协同灭火路径规划神经网络输入实际森林火灾情报及无人机集群参数信息；第三步，从所述无人机协同灭火路径规划神经网络中得到生成的多机协同森林灭火路径规划；第四步，实施多机协同森林灭火。
19.图4给出了所述无人机协同灭火路径规划神经网络的结构图，由图4所示，所述无人机协同灭火路径规划神经网络包括信息接收区、神经感知区、学习决策区、信息输出区；在信息接收区，301为人员信息情况、303森林面积、305着火范围、307现场风速、309天气情况、311无人机数量、313灭火材料、315周边居民情况、317周边地貌情况、319火势情况；人员信息情况301包括无人机驾驶员情况、地勤人员情况、指挥人员情况、保障人员情况、专业技术人员情况；森林面积303是指森林火灾发生区域中森林的面积数据，包含边界的离散经纬度信息；着火范围305是指当前森林火灾的覆盖范围，包括边界的离散经纬度信息；现场风速307是指森林火灾现场的风速信息；天气情况309包括了森林火灾现场的能见度、阴晴雨雪情况；无人机数量311包括了无人机集群的数量信息；灭火材料313包括了无人机可搭载的灭火材料信息，如水、泡沫、干粉；周边居民情况315包括森林周边居民的数量、居民住宅与森林的距离信息；周边地貌情况317是指山川、河流、丘陵、盆地等地貌信息；火势情况319包括了火势蔓延速度、当前火势程度信息；在神经感知区，302为神经细胞矩阵一、304为神经细胞矩阵二、306为神经细胞矩阵三、308为神经细胞矩阵四、310为神经细胞矩阵五、312为神经细胞矩阵六、314为神经细胞矩阵七、316为神经细胞矩阵八、318为神经细胞矩阵九、
320为神经细胞矩阵十；神经细胞矩阵一302、神经细胞矩阵二304、神经细胞矩阵三306、神经细胞矩阵四308、神经细胞矩阵五310、神经细胞矩阵六312、神经细胞矩阵七314、神经细胞矩阵八316、神经细胞矩阵九318、神经细胞矩阵十320的结构原理均相同，所述神经细胞矩阵的作用是感应信息，图5给出了所述神经细胞矩阵的原理图；在学习决策区，321为记忆单元、322为模式调度接口、323为决策器、324为学习器；记忆单元321的作用是记忆录入信息与输出信息的对应关系；模式调度接口322的作用是根据用户指令驱动所述路径规划神经网络进入学习模式或决策模式；决策器323的作用是，在决策模式中，根据神经感知区反馈的信息，结合记忆单元321的记忆信息决定信息输出区的各项信息；学习器324的作用是，在学习模式中，当信息接收区和信息输出区填充信息后，构建神经感知区与信息输出区各项信息间的对应关系，并存入记忆单元321中；在信息输出区中，325为人员配置、326为无人机编队划分、327为灭火材料配置、328为无人机路径规划、329为无人机集群灭火实施策略。
20.图5为所述神经细胞矩阵的原理图，由图5所示，所述神经细胞矩阵包括信息输入接口、m行n列个神经存储元、信息输出接口；所述神经细胞矩阵的工作流程为：第一步，假如所述无人机协同灭火路径规划神经网络处于学习模式，当信息输入接口有信息输入时，假定输入信息为t；第二步，按照行列值从小到大的顺序遍历m行n列个神经存储元，假设当前神经存储元未存储信息，则将t存储在当前神经存储元中，并令信息输出口输出信息t；若当前神经存储元存有信息，且其值为x，则判断x的值是否与t相同，若相同则令信息输出口输出信息x；第三步，假如所述无人机协同灭火路径规划神经网络处于决策模式，当信息输入接口有信息输入时，假定输入信息为t；第四步，按照行列值从小到大的顺序遍历m行n列个神经存储元，假设当前神经存储元未存储信息，则令信息输出口输出空信息；若当前神经存储元存有信息，且其值为x，则判断x的值是否与t相同，若相同则令信息输出口输出信息x。
21.s103、集群无人机补充灭火实施；假设在经过s102后，森林明火已经扑灭，为了巩固集群无人机森林灭火的效果、防止复燃，需要对森林过火地带进行一次全覆盖的补充灭火；集群无人机补充灭火算法为：第一步，设定参数；假定无人机集群中无人机个数为i个，森林过火面积为k，中灭火箱底板114的长为a、宽为b，过火点经纬度的集合为q={(x1,y1),(x2,y2),...(x
n
,y
n
)},x
1，
x2...x
n
为经度信息，y
1，
y2...y
n
为纬度信息，且集合q中相邻点的距离为；第二步，网格划分，将q中相邻的点进行连接，则相邻的四个点可组成一个封闭的区域元素，假设区域元素的集合为r={r1,r2,...,r
j
}；第三步，集群飞行规划，假设j/i=e，j
‑
i*e=p；则设定标记flag为1，标记cal为0，遍历集合r；若flag不为e+1，且cal不为i，则将当前元素放入集合w
flag
中，cal=cal+1；若flag不为e+1，且cal为i，则令标记cal为0，flag=flag+1，将当前元素放入集合w
flag
中，cal=cal+1；若flag为e+1，则将当前元素放入集合u中；则集合r={w1,w2,...,w
e
,u},其中子集合w1,w2,...,w
e
中的元素个数为i个，子集合u中的元素个数为p个；第四步，实施集群无人机补充灭火规划；设定标记teag为1；遍历区域元素集合r={w1,w2,...,w
e
,u}，若当前元素为z，且teag不为e+1，则组织i架无人机对子集合z中的i个区域元素分别进行补充灭火作业，teag=teag+1；若当前元素为z，且teag为e+1，则组织p架无人机对子集合z中的p个区域元素分别进行补充灭火作业。
22.显而易见，上述实施方式仅仅为本发明的其中一个示范例，任何在本发明所提供结构或原理上的简单改进均属于本发明的保护范围。