一种消防无人机发射消防炮的触发方法与流程

文档序号：16976658发布日期：2019-02-26 19:04阅读：294来源：国知局

本发明涉及无人机领域，具体的说，是一种消防无人机发射消防炮的触发方法。

背景技术：

随着城市化建设的不断发展，高层建筑越来越多，随之而来的是高楼火灾的频发，由于高楼结构复杂、人员密集、且高楼火灾具有火势蔓延快、疏散困难和扑救难度大的特点，一旦失火，火势难以控制、人员难以逃离。

在现有技术中，常用的灭火方式是通过消防云梯及消防水枪等进行灭火，但对于超过10层的住宅建筑和超过24米高的高层火灾，消防云梯的长度及消防水枪、水炮的射程均随着火灾发生点的高度增加严重受限，表现为云梯升到空中后，受风力影响，会左右摇摆，增加救火难度；其次，采用消防水枪、水炮进行灭火的方式，需要对水进行加压操作，水压也会对到高度产生限制。

无人机作为一种新型工业技术，已被广泛应用于各种领域，随着无人机技术的发展，使无人机赋予消防灭火的功能，将会成一种高空消防的可行手段，一般来讲，无人机使用油作为动力，但用作消防用途的无人机，由于其工作环境为高温，采用传统的油作为动力去触发消防弹发射容易导致爆炸等安全事故，因此，亟需一种安全可行的触发消防炮发射的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为解决上述问题，提供一种消防无人机发射消防炮的触发方法，可以在高温的作业条件下安全的触发消防炮的发射。

本发明的技术方案是，一种消防无人机发射消防炮的触发方法，所述消防无人机包括箱体结构的机身、设置在机身顶部的电池组件、设置在机身底部的两组支脚、设置在机身侧壁的四组旋翼组件；所述消防无人机还包括通过设置在无人机的机身底部或无人机的两组支脚上的多个功能组件；

所述功能组件包括带有一枚或多枚消防弹的消防炮筒、设置在消防炮筒邻近的瞄准镜及云台相机、用于测定无人机飞行的高度的红外定高组件及设置在机身上部的用于定位无人机当前位置的gps组件；所述消防无人机通过操作端下达动作命令；所述消防弹的尾部通过触发开关与消防炮筒尾部电连接；所述瞄准方法包括：

a1、控制消防无人机飞向火灾区域；

a2、使消防无人机悬停在火灾区域附近；

a3、通过消防无人机上的云台相机传回火灾区域图像；

a4、确定消防炮筒发射口距离火灾中心的射击距离l；

a5、通过瞄准镜传回无人机的瞄准画面；

a6、根据瞄准画面，调整消防炮筒发射口角度，将消防炮筒瞄准火灾区域；

a7、遥控端向消防炮筒发送动作信号，使触发开关闭合，消防弹射出。

在本发明中，电池模块由多块用于提供动力的电池组成，通过电池pcb板控制输出的电量。每组支脚包括两条固定在机身箱体结构的底面上斜撑支脚和与斜撑支脚同一端垂直连接的水平支脚，使其形成两个连续的倒置t型结构，两组支脚之间的夹角β为30°～80°。每个旋翼组件均包括碳纤维材质支撑的管状旋翼臂、旋桨驱动电机及旋桨，旋翼臂的一端插入斜侧壁，另一端与电机固定架连接，其上设有旋桨驱动电机，旋桨驱动电机与旋桨连接，通过电池pcb板控制电池向电机功能，带动旋桨转动。当消防无人机作业时户外光线不足时，需要让操作人员了解无人机起飞时的状态，可以在电机固定架上设置信号灯，通过电池功能，在无人机飞行时，信号灯点亮，也可示意地面人员，无人机的飞行方向和飞行状态。

本发明中无人机还包括用于驱动各功能组件的控制模组，通过遥控端进行控制；所述控制模组设置在机身箱体结构内部，包括用于控制无人机飞行的飞控模组、用于控制消防炮是否发射的发射模组、用于控制云台拍摄的云台转接模组、用于控制定位画面、云台拍摄画面及瞄准画面回传的图传模组、用于控制电池输出的电池模组、用于测定无人机飞行的高度的红外定高模组、用于测量障碍物距离的避障模组、用于控制消防罐向干粉喷射管中干粉喷出的干粉喷射模组及主板模组。其中主板模组起综合控制调控的作用，飞控模组用于稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机悬停、自主或半自主飞行；其中设置在箱体结构底板上的各个模组分别与主板模组电连接，实现无人机的各种操作。

本发明中的无人机采用纯电力驱动，取代传统无人机的燃油驱动或油电混合驱动，避免在高温环境下作业引发燃油爆炸等二次危险。

当操作端收到火灾报警后，根据报警信息中的火灾地址，可将无人机运送至火灾地点附近后，操纵无人机起飞、确定火灾中心、瞄准、发射消防弹灭火，通过人为观察无人机的位置及操作发射消防弹，发射完后，就地观察灭火情况，判断是否需要第二次发射或者调取另一台消防无人机进行灭火操作。

在步骤a1中，根据火灾地址和无人机当前位置，为无人机规划飞行最短路线；操作端向无人机下达起飞命令，无人机飞向火灾区域，此过程中，云台相机通过图传模组向操作端回传飞行实时画面、红外定高模组传回无人机的实时高度数据、gps组件传回无人机的实时定位信息，操作端结合此三种信息，实时了解无人机的当前状态，便于随时调整无人机的飞行高度和飞行方向，避免发生高空碰撞。

进一步地，所述功能组件还包括用于识别障碍物的避障装置；在步骤a1中，所述消防无人机在飞行过程中，当障碍物离无人机的距离至少为5米时，无人机开始刹车减速。

由于当前的地图还是以地面方位信息，对于建筑物的高度信息没有显示，而无人机的飞行搞定不足以绕过所有的高层建筑，在无人机的飞行线路里，还会出现其他飞行物体等，当无人机的线路中出现此种情况时，可以根据避障装置判断最近障碍物的距离，本发明中的消防无人机飞行速度在10m/s～25m/s之间，因此，需要给予无人机一定的反应时间，本发明中设置障碍物距离无人机的距离不少于5米时，优选地，为5～20米，即留给无人机的1/5～2s的反应时间，当遇到障碍物时，可将障碍物信息反馈给操作端，通过手动操作，也可使无人机自动避让，开始减速，等待障碍物离开飞行线路或无人机绕行通过。

进一步地，无人机的避障过程为：在飞行过程中，通过避障装置识别远处的障碍物的位置和高度，结合红外定高模组反馈的无人机当前位置高度，判断无人机是否需要上升越过障碍物或减速绕行。

所述避障装置采用红外tof技术实现，即利用红外光在空气中的飞行时间，算出距离物体距离。由于tof技术具有测距距离远，精度高，对反射物体要求比较低，适用于面积小的物体，如线、锥形物体等，相比超声波测距优势很大，同时多点感应的tof芯片可以实现构建物体3d模型，应用非常广，比如扫描房间轮廓，构建地图、识别手势等。

更进一步地，本发明中的消防炮筒为无端盖的筒状结构；在发射消防弹时，发射时产生的气体中有相当一部分可以从无端盖的消防炮筒后方溢出，从而产生一个接近于推动消防弹前进动量的反向动量，这样就使得消防弹本身几乎不产生后坐力，使消防弹成为无后坐力的弹药。无后坐力的消防炮可以避免由于反向冲力导致消防灭火设备偏离火灾区域，提高灭火精准性；其次，无后坐力消防弹使得消防炮筒不需要常规消防弹发射时所需的后坐缓冲装置，使整个消防灭火设备变得很轻便且易于使用，从而减小消防无人机的载重，提高其承载消防弹的数量，增大无人机单次飞行的灭火面积。

在步骤a2中，操作端从云台相机中看到火灾信息，如浓烟、火光等时，操纵无人机悬停在高层建筑附近；为进一步减少消防弹发射时对无人机悬停时的影响，进一步地，所述消防弹发射的初始速度v0≤40m/s，为保证消防弹能精准的到达火灾区域，进一步地，设置消防无人机的悬停位置为：距离高层建筑水平距离为20至50米。

进一步地，所述功能组件还包括用于识别火灾中心的热敏仪组件；在步骤a4中，通过热敏仪组件传回的热敏图像，确定火灾中心。确定火灾中心的步骤为：

b1、通过热敏图像找到图像里的高温区域；

b2、判断高温区域是否位于热敏图像边缘；

b3、若是，则无人机沿上升或下降至高温区域，再次拍摄热敏图像，重复步骤b2；

b4、若否，即高温区域位于热敏图像中心，则无人机停留在此处。

当无人机悬停在距离火灾区域水平距离为20至50米位置时，此时无人机的炮筒不一定是对准着火楼层，因此，需要控制无人机位于火灾楼层附附近高度。可充分利用无人机携带的热敏仪组件实现，具体为：当着火区域位于高层，而无人机位于低楼层时，所拍摄的热敏图像的高温区域必然位于图像上方边沿，此时，控制无人机向上飞行一至两层，若火灾中心位于无人机上部的一至两层，则再次返回的热敏图像中，将形成已中心为高温区，四周为低温区的分布状况，此时可以确定无人机的高度合适；当再次返回的热敏图像中，高温去依旧位于图像边缘，此时，控制无人机继续向上飞行一至两层，直至热敏图像中，低温区分布在高温去四周时再次悬停。

进一步地，根据消防弹发射的初始速度v0、消防炮筒发射口的仰角α，确定射击距离l满足以下关系式：

消防灭火设备以一定的仰角α发射后，作斜抛运动，其运动轨迹为抛物线运动，其落入点受到发射时的处时速度v0和仰角α限制，由于射程小，动量大，可忽略空气阻力的影响，将距离l分解为：落点距离发射口的水平位移lx与垂直位移ly，因此，l²＝lx²+ly²。

lx与ly可通过以下公式得到：

lx＝v0·t·cosα

其中，g为重力加速度；

t为消防灭火设备斜抛后到达最高点所用时间，通过以下公式的到：

如此，经过步骤a2和a4，可将无人机悬停在距离火灾楼层最恰当的位置。同理，当着火区域位于低层，而无人机位于高楼层时，也如此判断。

进一步地，所述消防弹发射的初始速度v0≤40m/s；仰角α＝10°～20°。

若将消防弹设置在垂直方向，垂直发射后，消防弹转弯时会消耗很多能量；若将消防弹设置为水平，则消防无人机与火灾区域的垂直高度将加大，才能使消防弹延抛物线轨迹落入火灾区域，但垂直高度的加大，会影响摄像头拍摄的画面效果，因此，在本技术方案中，将消防弹的发射孔设置为倾斜，使消防弹在发射时先斜向上运动到最高点，之后再朝向火灾区域延抛物线运动，减少能量消耗，增加射程，使消防无人机在尽可能远离火灾区域的同时也能保证消防弹精准射向火灾区域。由于消防炮的长度可近似一米，且其位于机身(1)下部，支脚(4)的垂直高度有限，为了避免消防炮触碰到机身(1)下部的图像设备或机身(1)本体，将仰角为α的范围在10°至20°之间，提高消防弹发射效率的同时也保证无人机的安全性。

在步骤a6中，由于消防炮筒的发射口与瞄准镜位于同一竖直平面，当瞄准镜对准火灾中心时，就能保证消防弹最终精准到达火灾中心，提高灭火的可靠性。

进一步地，所述机身箱体内部设有起综合控制调控的作用的主控制板及用于控制消防炮是否发射的发射模组；在步骤a7中，触发开关闭合的过程为：操作端向主控制板发射信号，信号经过放大后，传给发射模组，发射模组控制电池组件向触发开关导电，触发开关闭合。

由于机身箱体内部设有起综合控制调控的作用的主控制板及用于控制消防炮是否发射的发射模组，触发开关闭合的过程为：操作端向主控制板发射信号，信号经过放大后，传给发射模组，发射模组控制电池组件向触发开关导电，触发开关闭合。信号放大可采用放大电路实现。可在遥控端采用一键式信号发送，通过纯电路控制消防弹发射，反应迅速，无偏差，当消防弹发射后，再次填充新的消防弹时，只需要重新采用电连接即可，简单便捷。

进一步地，由于火灾场景情况多变，为降低遥控端误判的几率，设定消防弹为延时射出，设定触发开关闭合后，间隔3s～10s后，消防弹发射。

与现有技术相比，本发明的在触发消防弹前先瞄准，提高灭火的精准度和灭火的有效性，采用一键式电路信号触发消防弹发射，反应迅速且操作简便。

附图说明

图1为本发明消防无人机的立体图。

图2为本发明消防无人机的主视图。

图3为本发明消防无人机的左视图。

图4为图1的a处放大图。

图5为本发明中旋翼组件结构图。

图6为本发明中确定火灾中心步骤图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，本发明实施例附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件，仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本发明中实施例术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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或以特定的方位构造，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

结构实施例

如图1和图2所示，一种紧凑型消防无人机，包括机身1、四个旋翼组件3、两组支脚4、图像组件7及消防组件5，所述机身1为箱体结构，内部设有多个控制模组，机身1上部设有电池模块2，旋翼组件3设于机身1侧壁，多组支脚4组件分别位于机身1下部的横向两侧、且均设有防震装置；所述旋翼组件3包括旋翼臂31、设置在旋翼臂31远端的驱动电机32，以及设有利用电机驱动转动的旋桨33；所述支脚4的一端与箱体结构的底面连接，另一端用于支撑地面，所述消防组件5和图像组件7固定在支脚4上；两组支脚4之间的夹角β为30°～80°，优选地，夹角β＝30°或40°或50°或60°或70°或80°。所述电池模块2用于驱动消防组件5是否工作，且为旋翼组件3的驱动电机32提供动力，实现无人机的供能。

每个旋翼组件3均包括碳纤维材质支撑的管状旋翼臂31、旋桨驱动电机32及旋桨33，旋翼臂31的一端插入斜侧壁15，另一端与电机固定架34连接，其上设有旋桨驱动电机32，旋桨驱动电机32与旋桨33连接，通过电池pcb板25控制电池21向电机功能，带动旋桨33转动。当消防无人机作业时户外光线不足时，需要让操作人员了解无人机起飞时的状态，可以在电机固定架34上设置信号灯35，通过电池21功能，在无人机飞行时，信号灯35点亮，也可示意地面人员，无人机的飞行方向和飞行状态。

如图4和图5所示，所述旋翼臂31包括固定在机身1侧壁的第一翼臂311、用于承托旋桨33的第二翼臂312及用于连接第一翼臂311与第二翼臂312的翼臂转接装置，所述第二翼臂312可通过翼臂转接装置绕着第一翼臂311折叠，折叠后的旋翼组件3不超出消防组件5的范围。所述转接装置包括套设在第一翼臂311远端的第一转接件313、套设在第二翼臂312近端的第二转接件314、用于连接第一转接件313及第二转接件314的连接件锁紧弹簧315、套设在缩进弹簧内的弹簧导向杆316及滑动轴317，所述连接件锁紧弹簧315一端固定在第一转接件313内，所述弹簧导向杆316从第二转接件314的远端穿过，再与连接件锁紧弹簧315的另一端固定，所述第一转接件313与第二转接件314采用转轴连接，且在第二转接件314上设有水平滑槽，所述滑动轴317垂直穿过水平滑槽，当需要折叠时，锁紧弹簧伸长，滑动轴317位于滑槽的近端后固定，使锁紧弹簧保持伸长，实现第二翼臂312的折叠；当需要展开第二翼臂312时，将滑动轴317移动至滑槽的远端后固定，保持锁紧弹簧自然伸长即可。此外，用于连接旋桨驱动电机32的导线依次通过第二翼臂312、第二转接件314、第一转接件313、第一翼臂311后，与电池21组件电连接，且导线留有一定裕度，避免其阻挠第二翼臂312的折叠。

如图2和图3所示，所述消防组件5包括集成支架和消防炮筒51，每个消防炮筒51的发射口与水平线的仰角为α的范围在10°至20°之间；所述集成支架包括第一炮筒固定件52和第二炮筒固定件53，消防炮筒51的前端通过第一炮筒固定件52横向与机身1前侧的支脚4连接，消防炮筒51的后端通过第二炮筒固定件53横向与机身1后侧的支脚4连接。

其中，消防炮筒为无端盖的筒状结构；在发射消防弹时，发射时产生的气体中有相当一部分可以从无端盖的消防炮筒后方溢出，从而产生一个接近于推动消防弹前进动量的反向动量，这样就使得消防弹本身几乎不产生后坐力，使消防弹成为无后坐力的弹药。无后坐力的消防炮可以避免由于反向冲力导致消防灭火设备偏离火灾区域，提高灭火精准性；其次，无后坐力消防弹使得消防炮筒不需要常规消防弹发射时所需的后坐缓冲装置，使整个消防灭火设备变得很轻便且易于使用，从而减小消防无人机的载重，提高其承载消防弹的数量，增大无人机单次飞行的灭火面积。

所述图像组件7包括瞄准镜71和云台组件72，所述瞄准镜71设于消防炮筒51的上方，其轴线与消防炮筒51轴线位于同一竖直平面；所述云台组件72设于消防炮筒51的邻侧，通过云台支架固定在第一炮筒固定件52下部；还包括设置在瞄准镜71后方的夜视相机73，所述夜视相机73与瞄准镜71均通过瞄准镜固定件712纵向跨设在第一炮筒固定件52和第二炮筒固定件53上。

所述消防无人机还包括设置在第一炮筒固定件52上部的避障组件74，所述避障组件74通过测量与障碍物之间的距离来判断是否无人机是否需要绕行。

所述控制模组设置在箱体结构底板上，包括用于控制无人机飞行的飞控模组、用于控制消防炮是否发射的发射模组、用于控制云台拍摄的云台转接模组、用于控制定位画面、云台拍摄画面及瞄准画面回传的图传模组、用于控制电池输出的电池模组、用于测定无人机飞行的高度的红外定高模组、用于测量障碍物距离的避障模组、用于控制消防罐向干粉喷射管中干粉喷出的干粉喷射模组及主板模组。

其中主板模组起综合控制调控的作用，主要针对驱动的调控，如电池、旋翼驱动电机等；飞控模组用于稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机悬停、自主或半自主飞行；其中设置在箱体结构底板上的各个模组分别与主板模组电连接，实现无人机的各种操作。

所述红外定高模组主要利用红外测定无人机飞行的高度，从而控制消防的精度；所述避障模组主要用于无人机的测距，实现无人机的避障功能。所述云台转接模组主要用于实现无人机与操作端遥控器之间的通讯连接，从而实现用户的各项操作。

方法实施例

一种消防无人机发射消防炮的触发方法，包括：