高空系留式无人灭火系统的制作方法

本发明涉及无人机灭火技术领域，具体涉及一种高空系留无人灭火系统。

背景技术：

在消防领域中，高层灭火一直是一个世界难题，高层建筑的火灾危险性与灭火难度远远大于一般低层建筑。目前，在我国，高层建筑灭火的主要方法为：消防队采用登高消防车攀登到一定高度，再使用消防枪灭火。然而，消防队的攀登高度一般只有25米，而消防枪一般能打到60米左右。即，现在的消防车灭火极限为100米左右。因此，对于100米以上的高楼火灾，只能采取预防和自救。

专利申请号为201610153054.0，名称为一种无人机系留系统的发明专利提出了一种系留无人机的方案，包括无人机、收放线子系统、电力子系统、通信子系统、地面电源和地面站。提高了无人机的载重和滞空时间。本发明结合该系统的优点和灭火弹技术提出了一种高空系留无人灭火系统。

申请号为201610165872.2，名称为无人机灭火弹发射系统的发明专利提出的消防灭火无人机包括地面站、无人机、挂架和灭火弹。该系统的优点是可以实时和地面保持通信，地面指挥中心可以依据图像等数据发射灭火弹实施灭火。但该系统的飞行平台载重能力有限只能携带一枚灭火弹，其次是飞行时间有限，灭一处火得多次往返，即该发明专利提出的无人机灭火弹发射系统的灭火能力有限难以有效灭火。

申请号为2016101419566.X，名称为一种高楼消防无人机的发明专利提出的灭火无人机包括无人机主体、摄像头和水枪。该专利提出使用无人机携带水枪后飞到空中，由水枪喷出的水进行灭火。该专利提出的方法存在受水枪及其水管的重量限制，无法飞至太高的高楼。由于现有多旋翼载重有限，该方法的无人机甚至难以飞至地面灭火设备可达的高度。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的载弹量少、飞行高度有限的不足，本发明提出了一种高空系留式无人灭火系统。

本发明包括飞行平台、灭火装置、系留电缆、地面供电电源、地面站系统。所述的灭火装置安装在所述飞行平台，并使该灭火装置中的灭火弹悬挂在所述飞行平台的机身的下方。所述的机身包括上机身板和下机身板。瞄准相机位于所述机身前端端面中部。所述GPS定位单元、飞行控制与通信单元和灭火弹发射控制单元均位于所述上机身板上表面中部，电源管理单元位于机身中部，安装在下机身板的上表面。地面供电电源与飞行平台的电源管理单元之间通过系留电缆连接；该系留电缆的长度由飞行平台的作业高度决定。所述的地面站系统通过数据线或者无线信号控制和监视空中无人灭火系统。

所述的飞行平台包括无刷直流电机、三对碳纤维螺旋桨、电子调速器、碳管夹、短机臂、机身、机身加长碳管、碳管转接件和长机臂。

三对碳纤维螺旋桨通过机臂分别位于所述机身的前端、后端和该机身长度方向的对称线处，并使每对碳纤维螺旋桨中的各螺旋桨分列于该机身长度方向的两侧。所述位于机身前端和后端的碳纤维螺旋桨分别通过短机臂与所述机身连接，所述位于机身长度方向对称线处的碳纤维螺旋桨通过长机臂与所述机身连接。

在所述机身前端端面中部和后端端面中部分别安装有一对机身加长碳管。该机身加长碳管的内端通过碳管夹与所述机身端面固接；各机身加长碳管的外端通过碳管转接件与长机臂中段固接。在连接所述长机臂时，须使分别安装在该长机臂两端的碳纤维螺旋桨对称的分布在所述机身的两侧。

所述的碳管转接件为铝合金制成的三通转接头，该碳管转接件的各转接口端头的管体上分别有轴向的切口；在该各切口的两侧的管体表面分别有夹紧耳片。

各所述的长机臂的内端分别通过碳管夹安装在机身长度方向对称线处的两侧，具体是将所述碳管夹置于所述机身内，将各长机臂的内端分别装入该碳管夹内，并使用螺栓连接碳管夹和机身的上机身板和下机身板，进而将各长机臂固紧。各所述长机臂的外端的端头处与连接电机座的碳管夹持端固连。所述无刷直流电机安装在该电机座的上表面；碳纤维螺旋桨安装在所述无刷直流电机的输出轴上；电子调速器嵌装在该电机座内，并与所述无刷直流电机通过导线连接。

所述的碳管夹有两个矩形夹块组成，在各夹块的一个侧表面分别有半圆形的凹槽，该凹槽的半径与机身加长碳管的外径相同。在各夹块的另一个侧表面分别有连接螺孔。

所述电机座的一端有管夹头，形成了该电机座的夹持端，该夹持端的端口有轴向的切口，切口两侧的管体外圆周表面分别有夹紧耳片。所述电机座上有用于安装无刷直流电机的安装孔。

针对现有消防灭火技术存在的缺陷，结合系留无人机和消防灭火弹的优势，本发明提出的高空系留无人灭火系统能有效解决高层灭火这一世界难题。

当消防人员接到火灾报警后，消防人员迅速驾驶携带高空系留无人灭火系统的消防车辆到达着火高楼附近。到达火灾现场后消防人员在5分钟内迅速展开高空系留无人灭火系统，并准备好飞行平台起飞工作。准备工作完成后由地面消防操纵人员使用遥控器操纵飞行平台连接着系留电缆飞至高楼着火位置，或者使用地面站设置好飞行参数自主飞至高楼着火位置。使用自主飞行功能时必须提前知道飞行平台要悬停的位置坐标。飞行平台携带灭火系统飞至高楼着火位置后悬停在目标位置，之后由地面操纵人员通过飞行平台携带的瞄准系统瞄准目标窗口，瞄准目标窗口后地面操纵人员迅速通过地面站或遥控器依次发射灭火弹。或者通过机载发射系统自主瞄准和自主发射。灭火弹发射后沿着导轨滑行一段距离，然后以一定的离轨速度脱离导轨进入不可控飞行，直至灭火弹接触窗户玻璃。灭火弹接触玻璃后灭火弹破窗机构打破玻璃，灭火弹飞入着火房间。灭火弹破窗机构破窗的同时灭火弹内温度传感器开始工作，若传感器检测到温度高于设定值则引爆灭火弹内炸药使灭火剂散部周围以完成灭火任务，若是传感器检测到温度低于设定值则灭火弹不会爆炸。飞行平台发射完4枚灭火弹后由地面操纵人员操纵降落或者由地面站自主控制降落。飞行平台降落后在5分钟内补充完灭火弹后又可以进行新的一轮灭火任务。

本实发明提供的一种高空系留无人灭火系统，能够有效解决高楼灭火的世界难题。与常规地面消防设备相比，本发明具有以下优点：

(1)实现了常规消防设备无法达到的高楼或超高楼的灭火

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，而本发明提出的高空系留无人灭火系统可以携带灭火弹飞至210米以下的高楼执行灭火任务。

(2)对灭火系统执行任务的场地要求低

现有的高楼消防车多是体积大，重量大，难以在现在这种密集建筑中快速展开使用，甚至常常是高楼消防车无法进入着火大楼附近执行灭火任务。本发明提出的高空系留无人灭火系统体积小，重量小，可以轻易快速的在着火大楼附近携带灭火弹垂直起飞，飞至目标高度执行灭火任务。

与现有的多旋翼消防无人机技术相比，本发明具有以下优点：

(1)提升无人灭火系统的持续执行灭火任务的时间

现有的多旋翼消防无人机，进行几次灭火任务后就需要更换电池，这导致无人机的持续执行灭火任务的时间有限。本发明结合系留无人机，使用地面电源，通过系留电缆连接多旋翼无人机，为空中设备和动力系统提供能源，使本发明理论上可持续执行灭火作业时间超过24小时。

(2)提高无人灭火系统的单次灭火能力

现有的多旋翼消防无人机的载重中有很大一部分重量被电池占据，导致其一次飞行只能携带少量的灭火剂，甚至于无法有效的扑灭小型火源。本发明结合系留无人机，将无人系统的电源留在地面，将电池的重量转为携带灭火剂，这极大的提高了本发明单次飞行所能携带的灭火剂量，提高了灭火无人机的单次灭火能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为飞行平台和灭火装置的轴测图；

图3为飞行平台和灭火装置的侧视图；

图4为飞行平台和灭火装置的底视图；

图5为单个灭火弹发射装置示意图；

图6为碳管夹9的示意图；

图7为电机座15的示意图；

图8为碳管转接件13的示意图；

图9为导轨连接件23的示意图。图中：

1.飞行平台；2.灭火装置；3.系留电缆；4.地面供电电源；5.地面站系统；6.无刷直流电机；7.碳纤维螺旋桨；8.电子调速器；9.碳管夹；10.短机臂；11.机身；12.机身加长碳管；13.碳管转接件；14.长机臂；15.电机座；16.相机放置台；17.瞄准相机；18.飞行控制与通信单元；19.GPS定位单元；20.灭火弹发射控制单元；21.导轨；22.灭火弹；23.导轨连接件；24.起落架；25.起落架固定件；26灭火弹锁定装置；27电源管理单元。

具体实施方式

本实施例是一种高空系留式无人灭火系统，包括飞行平台1、灭火装置2、系留电缆3、地面供电电源4、地面站系统5。所述的灭火装置2安装在所述飞行平台1，并使该灭火装置中的灭火弹悬挂在所述飞行平台1的机身下方。地面供电电源4与飞行平台1的电源管理单元27之间通过系留电缆3连接，并给飞行平台1和灭火系统2供电；该系留电缆的长度由飞行平台1的作业高度决定。系留电缆3内部含有光纤能够将飞行平台1上的所有数据传输到地面站系统6；系留电缆采用现有的成品。

所述的地面站系统5通过数据线控制和监视空中无人灭火系统，或者通过无线信号控制和监视空中无人灭火系统。地面站系统采用现有的成品。本实施例中，该地面站系统通过系留电缆3内的光纤控制和监视空中无人灭火系统。

所述的飞行平台1包括无刷直流电机6、三对碳纤维螺旋桨7、电子调速器8、碳管夹9、短机臂10、机身11、机身加长碳管12、碳管转接件13、长机臂14、电机座15、相机放置台16、瞄准相机17、飞行控制与通信单元18、GPS定位单元19、灭火弹发射控制单元20、起落架24、起落架固定件25和电源管理单元27。所述的机身11包括上机身板和下机身板。

三对碳纤维螺旋桨7通过机臂分别位于所述机身11的前端、后端和该机身长度方向的对称线处，并使每对碳纤维螺旋桨7中的各螺旋桨分列于该机身长度方向的两侧。所述位于机身前端和后端的碳纤维螺旋桨分别通过短机臂10与所述机身连接，所述位于机身长度方向对称线处的碳纤维螺旋桨通过长机臂14与所述机身连接。所述的螺旋桨采用恒利源公司生产的3095螺旋桨。

在所述机身前端端面中部安装有相机放置台16，瞄准相机17安装在该相机放置台上。所述GPS定位单元19、飞行控制与通信单元18和灭火弹发射控制单元20均位于所述机身上表面中部，电源管理单元27位于机身中部，安装在机身下板的上表面。所述电源管理单元27采用现有的成品。

所述飞行平台的起落架24采用雪橇式起落架；一对起落架通过起落架固定件25安装在机身下表面中部的两侧。

在所述机身前端端面中部和后端端面中部分别安装有一对碳纤维管制成的机身加长碳管12。该机身加长碳管的内端通过碳管夹9与所述机身端面固接；各机身加长碳管的外端通过碳管转接件13与长机臂14中段固接。所述的碳管转接件13为铝合金制成的三通转接头，该碳管转接件的各转接口端头的管体上分别有轴向的切口；在该各切口的两侧的管体表面分别有夹紧耳片。当该碳管转接件分别于各机身加长碳管和长机臂14中段连接后，通过螺栓将所述夹紧耳片拧紧，以实现对各被连接件的固紧。在连接所述长机臂时，须使分别安装在该长机臂两端的碳纤维螺旋桨7对称的分布在所述机身的两侧。

各所述的长机臂14采用碳纤维管制成。各所述的长机臂的内端分别通过碳管夹9安装在机身长度方向对称线处的两侧，具体是将所述碳管夹置于所述机身内，将各长机臂的内端分别装入该碳管夹内，并使用螺栓连接碳管夹和机身的上机身板和下机身板，进而将各长机臂固紧。各所述长机臂的外端的端头处与连接电机座15的碳管夹持端固连。所述无刷直流电机6安装在该电机座的上表面；碳纤维螺旋桨7安装在所述无刷直流电机的输出轴上；电子调速器8嵌装在该电机座内，并与所述无刷直流电机通过导线连接。所述的电子调速器8采用现有技术。

所述的碳管夹9有两个矩形夹块组成，在各夹块的一个侧表面分别有半圆形的凹槽，该凹槽的半径与机身加长碳管的外径相同。在各夹块的另一个侧表面分别有连接螺孔。使用时，将各夹块侧表面的凹槽对合成为一个圆形孔，并将各夹块有螺孔的表面分别与机身的上机身板的下表面和下机身板的上表面通过螺栓固定。当所述机身加长碳管装入该碳管夹对合而成的圆形孔后，通过拧紧各螺栓，从而将该长碳管固紧。

所述电机座15的一端有管夹头，形成了该电机座的夹持端，该夹持端的端口有轴向的切口，切口两侧的管体外圆周表面分别有夹紧耳片。所述电机座15上有用于安装无刷直流电机6的安装孔。

本实施例中，飞行平台1的主要部分为机身11，机身11为碳纤维板组装成的盒状长方体，其长为1200mm，宽为289mm，高为45mm。

机身中部两侧分别通过2个碳管夹9连接有短机臂10一端，并使用螺栓拧紧碳管夹和机身上下板进而夹紧短机臂。短机臂为直径30mm，长610mm的碳纤维管。碳管夹9通过短机臂10另一端连接电机座15的碳管夹持端，通过电机座15夹持端的螺丝拧紧后夹紧碳管。碳管夹9和电机座15分别如附图6和附图7所示。

机身两端分别通过碳管夹9连接2根机身加长碳管12，机身加长碳管12为直径30mm，长200mm的碳纤维管，进而2根机身加长碳管12通过碳管转接件13连接长机臂14的中部位置，碳管转接件13为铝合金加工件，通过拧紧3个端口处的螺栓夹紧机身加长碳管12和长机臂14，如附图8所示。长机臂14为直径30mm，长700mm的碳纤维管，长机臂14两端分别连接有电机座15。

机身上表面中心部位安装有飞行控制与通信单元18以及GPS定位单元19，飞行控制与通信单元18以及GPS定位单元19采用现有的成品。机身上表面靠近灭火弹位置安装有灭火弹发射控制单元20，灭火弹发射控制单元20采用现有的成品。

机身前端的长机臂中间位置安装有2个碳管夹9，碳管夹上表面通过螺栓连接有相机放置台16，相机放置台16是比相机稍大的碳纤维板，相机放置台16上表面安装有瞄准相机17。

机身下表面安装有灭火弹及其发射装置2，以及起落架24，起落架24为铝合金圆管焊接而成，并通过起落架固定件25，使用螺栓连接在机身下表面。起落架固定件25为铝合金加工件，为“U”形件；在该起落架固定件两侧壁开口处用于连接的翻边。使用时，将该起落架固定件卡在起落架的圆管上，将该起落架固定件的翻边固定在下机身板的下表面。

电机座15上表面安装有无刷直流电机6，并通过螺栓与无刷直流电机6下表面连接.无刷直流电机6为高压低电流电机与配套的碳纤维螺旋桨7和电子调速器8共同组成飞行平台1的动力系统。该动力系统采用现有的成品，通过所需拉力进行选择。无刷直流电机6上端安装有碳纤维螺旋桨7并用螺母连接。电机座15内部安装有电子调速器8，电机座15下表面为可拆卸碳纤维板。

所述的灭火装置包括灭火弹、灭火弹发射控制单元20、导轨21、灭火弹22、导轨连接件23和灭火弹锁定装置26。其中，所述的导轨固定在机身下表面。四个灭火弹均分为两组，分为上下两层安放在导轨上，并通过所述灭火弹锁定装置26锁定。所述各灭火弹通过自身的滑块装在导轨21的滑槽内。

所述的导轨21采用高强度铝合金加工制成。该导轨有两层，每层有两根，分别是两根上导轨和两根下导轨。所述的两根上导轨沿机身的长度方向平行的安装在所述下机身板的下表面；两根下导轨平行的通过两个导轨连接件23悬挂在两根上导轨的下方。所述的导轨连接件23为“U”字形的杆件，该“U字形开口端开口的尺寸与所述两根平行安装在下机身板下表面的上导轨的宽度相同，并将该“U字形开口的两侧分别固定在一根上导轨外侧边上，形成了下导轨的吊挂架；两个导轨连接件23分别位于所述上导轨的前部和后部。两根上导轨平行的固定在该导轨连接件水平杆的下表面。在各导轨的尾端分别安装有灭火弹锁定装置26。

各所述的导轨21的下表面有沿该导轨长度方向延伸的“T”形凹槽，该“T”形凹槽即为灭火弹的滑槽。各所述灭火弹分别通过滑块吊装在一根导轨的下表面。

本实施例中，1个导轨21、1个灭火弹22和1个灭火弹锁定装置26组成1个子灭火装置,4个子灭火装置一起组成整个灭火弹及其发射装置。其中上层并列的2个子灭火装置的导轨上表面直接与机身11下表面通过螺栓连接在一起，并列的2个子灭火装置相距10mm。下层并列的2个子灭火装置的导轨上表面通过螺栓连接在3个导轨连接件23的下表面，进而3个导轨连接件23的上端通过螺栓连接在机身11的下表面。导轨连接件与上层子灭火装置相距10mm，不影响灭火弹的发射。导轨21的长度为1200mm，使用高强度铝合金加工制成。导轨21下部为T形凹槽，与灭火弹上的T形滑块相配合。灭火弹锁定装置26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。导轨连接件23如附图9所示，使用铝合金加工制成。

所述的灭火弹发射控制单元20安装在机身11上表面，并通过信号线与灭火弹22相连。灭火弹发射控制单元20通过信号线给灭火弹22一个电信号，灭火弹22接收到电信号后点灭火弹尾部的燃微型火箭发动机，同时灭火弹锁定装置26释放灭火弹，灭火弹22沿着导轨21开始滑行投放。

所述的地面供电电源4与系留电缆3连接。通过该地面供电电源4为空中无人灭火系统提供所需耗能和无刷直流电机6所需的高电压电流。地面供电电源采用现有的成品。