一种低成本自杀式灭火方法及无人机与流程

1.本发明属于飞行器总体设计领域，具体涉及一种低成本自杀式灭火方法及无人机。


背景技术：

2.森林火灾突发性强、破坏性大、危险性高，是全球发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一，森林火灾每年造成我国数万公顷的森林资源损毁，直接经济损失达数亿元。森林火灾的应对关键在于“打早、打小”，因此，增加国内森林灭火设备尤其是航空灭火设备保障体系建设，是推进国内森林灭火治理能力提升的重点方向。
3.当前，国内外的森林航空灭火设备主要是使用大型有人飞机抛撒灭火剂进行灭火，但其存在快速到位难、综合保障难、耗费巨大等缺点。市面上也出现了一些一次性灭火设备，如灭火弹和灭火火箭弹，灭火时将其发射至火场，利用其内部装载的灭火剂进行灭火。但灭火弹需要额外配备空中运载平台进行投放，平台费用高，投放精度低；灭火火箭弹在火场外发射，但其单发载荷较低，且火箭弹成本较高。
4.随着无人机技术的发展，无人机作为一种快捷、安全、廉价的航空灭火设备，被越来越多的运用到消防灭火当中来。然而现有的灭火无人机价格高昂，且多使用旋翼型无人机，载药量少，且一般用于城市高层灭火。综上所述，现有森林航空灭火设备普遍存在成本高且无法短时间内快速投放大批量高效能灭火工质的问题。


技术实现要素：

5.针对现有森林航空灭火设备普遍存在成本高且无法短时间内快速投放大批量高效能灭火工质的问题，本发明提出一种低成本自杀式无人机灭火，用于快速应对突发森林火灾，实现对不同森林初发火灾“打早、打小”的目的，最大程度降低森林火灾的损失。
6.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
7.一种低成本自杀式灭火方法，包括如下步骤：
8.s1、首先设计制作低成本自杀式灭火无人机，按一次性使用低成本设计原则和灭火可靠设计原则进行设计制作；
9.s2、所述设计制作好的无人机由弹射器弹射起飞，按照地面指挥系统的指示目标，自动规划的航迹，并自主飞行至火场上方；
10.s3、所述抵达目标位置附近的无人机，根据地面指挥系统的灭火指令，通过大角度俯冲飞向火场，落地时触发无人机上灭火装置实施灭火。
11.进一步地，所述步骤s1中具体地所述一次性使用低成本设计原则为：
12.a.所述无人机采用常规固定翼布局，机翼采用上单翼设计，尾翼采用t型尾翼，飞行稳定度高；
13.b.所述无人机机体结构采用了低成本的玻璃纤维材料，能够快速大批量制造，且落入火场不会燃烧；
14.c.所述无人机为常规固定翼布局，采用静稳定设计；
15.d.所述无人机机体内部结构简单，容积大，适合于大量装载；
16.e.所述无人机动力系统采用前拉式动力，为降低成本采用市面上成熟的电机及桨叶；
17.f.所述无人机电源系统为高能量密度的一次性电池，其在相同电量下比二次电池更轻，且价格更低；
18.g.所述无人机控制系统选用市场上成熟的飞控系统，既能满足无人机控制要求，且价格便宜可大批量供应；
19.h.所述无人机低成本视觉系统配备低成本光学摄像镜头，实时采集火场图像数据，并发送至控制系统处理，控制系统根据视觉系统的输出结果修正导航偏差，最终输出飞行控制指令，实现火场瞄准及对目标俯冲；
20.所述灭火可靠设计原则为：所述无人机内部使用灭火装置携带超细干粉灭火剂，采用触地起爆或者温度延时起爆对火场进行高效可靠灭火。
21.更进一步地，采用多架无人机组合式灭火，则能快速对大范围火场进行压制，适合于森林火灾初期短时间快速向火场投放大批量高效能灭火工质，具有高的灭火效率。
22.本发明还提供一种低成本自杀式灭火无人机，包括机身、机翼、尾翼、动力系统、电源系统、控制系统、低成本视觉系统以及灭火装置，所述动力系统安装在无人机机体头部，为无人机提供前进推力；所述电源系统安装在机身内部，为无人机各分系统供电；所述控制系统主要是机载飞控，安装于机身内部，机载飞控处理其内部传感器、地面控制端控制指令及低成本视觉系统传输的信号，并向动力系统及伺服系统舵机输出控制信号，控制飞机自主飞行。
23.进一步地，所述无人机为常规固定翼布局，采用静稳定设计；
24.所述无人机机身结构采用了低成本的玻璃纤维材料，能够快速大批量制造，且落入火场不会燃烧；机身内部容积大，适合于大量装载；
25.所述无人机机翼为提高巡航性能采用大展弦比设计，为提高飞行稳定性采用上单翼设计，为制造简单降低成本采用梯形平直翼设计；
26.所述无人机尾翼为提高大角度俯冲机动时的舵面控制力采用大尾容t型设计；
27.所述无人机动力系统采用前拉式动力，为降低成本采用市面上成熟的电机及桨叶；
28.所述无人机电源系统为高能量密度的锂氟化碳一次性电池，其在相同电量下比二次电池更轻，能够省下更多载荷重量分配给灭火剂，且价格更低；
29.所述无人机控制系统选用市场上成熟的飞控，既能满足无人机控制要求，且价格便宜可大批量供应；
30.所述无人机低成本视觉系统配备低成本光学摄像镜头，实时采集火场图像数据，为飞控系统提供视觉导航数据，实时修正导航偏差。
31.更进一步地，所述无人机机身内部灭火装置为三个体积约0.16m
×
0.15m
×
0.18m，4.3l的子装置，装药量约为6.6kg超细干粉灭火剂,采用触地起爆或者温度延时起爆。
32.优选地，所述无人机机翼内部灭火装置为两个体积约0.02m
×
0.15m
×
0.5m，1.5l的子装置，子装置内包含超细干粉灭火剂及引爆系统,采用触地起爆或者温度延时起爆。
33.更进一步地，还包括伺服系统、导航系统、通信系统，伺服系统根据控制系统提供的指令对无人机舵面进行控制，为无人机提供控制力矩；导航系统为控制系统提供导航数据；通信系统为无人机及地面控制端提供数据收发；伺服系统、导航系统及通信系统安装于机身结构内部，都是常规技术。
34.本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
35.1.本发明的用于在森林火灾初期可短时间快速投放大批量低成本自杀式灭火无人机，携带有超细干粉灭火剂这种高效能灭火工质，由弹射器弹射起飞，按照地面指挥系统的指示目标，自动规划的航迹，并自主飞行至火场上方。根据地面指挥系统的灭火指令，通过大角度俯冲飞向火场，落地时触发无人机上灭火装置实施灭火。
36.2.本发明结构简单，操作方便，各子系统成本低，采用自杀式的灭火方式，一次性使用无需复杂的维护工作；其携带的超细干粉灭火剂能快速对火场进行灭火且防止复燃；若采用多架组合式灭火，则能快速对大范围火场进行压制，适合于森林火灾初期短时间快速向火场投放大批量高效能灭火工质，具有较高的灭火效率。
附图说明
37.图1为低成本自杀式灭火无人机总体布局示意图；
38.图2为低成本自杀式灭火无人机系统布置示意图。
39.其中，1
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大容量机身，2
‑
上单翼机翼，3
‑
t型尾翼，4
‑
动力系统，5
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电源系统，6
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控制系统及低成本视觉系统，7
‑
机身内部灭火装置，8
‑
机翼内部灭火装置。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
41.在本实施例中，一种低成本自杀式灭火方法，其特征在于包括如下步骤：
42.s1、首先设计制作低成本自杀式灭火无人机，按一次性使用低成本设计原则和灭火可靠设计原则进行设计制作；
43.s2、所述设计制作好的无人机由弹射器弹射起飞，按照地面指挥系统的指示目标，自动规划的航迹，并自主飞行至火场上方；
44.s3、所述抵达目标位置附近的无人机后，根据地面指挥系统的灭火指令，通过大角度俯冲飞向火场，落地时触发无人机上灭火装置实施灭火。
45.在一个实施例中，所述步骤s1中具体地所述一次性使用低成本设计原则为：
46.a.所述无人机采用常规固定翼布局，机翼采用上单翼设计，尾翼采用t型尾翼，飞行稳定度高；
47.b.所述无人机机体结构采用了低成本的玻璃纤维材料，能够快速大批量制造，且落入火场不会燃烧；
48.c.所述无人机为常规固定翼布局，采用静稳定设计；
49.d.所述无人机机体内部结构简单，容积大，适合于大量装载；
50.e.所述无人机动力系统采用前拉式动力，为降低成本采用市面上成熟的电机及桨叶；
51.f.所述无人机电源系统为高能量密度的一次性电池，其在相同电量下比二次电池更轻，且价格更低；
52.g.所述无人机控制系统选用市场上成熟的飞控系统，既能满足无人机控制要求，且价格便宜可大批量供应；
53.h.所述无人机低成本视觉系统配备低成本光学摄像镜头，实时采集火场图像数据，并发送至控制系统处理，控制系统根据视觉系统的输出结果修正导航偏差，最终输出飞行控制指令，实现火场瞄准及对目标俯冲；
54.所述灭火可靠设计原则为：所述无人机内部使用灭火装置携带超细干粉灭火剂，采用触地起爆或者温度延时起爆对火场进行高效可靠灭火。
55.在一个实施例中，采用多架无人机组合式灭火，则能快速对大范围火场进行压制，适合于森林火灾初期短时间快速向火场投放大批量高效能灭火工质，具有高的灭火效率。
56.如图1
‑
2所示，为低成本自杀式灭火无人机总体布局示意图和系统布置示意图，本发明还提供了一种低成本自杀式灭火无人机，包括机身、机翼、尾翼、动力系统、电源系统、控制系统、低成本视觉系统以及灭火子装置，所述动力系统由电机和螺旋桨构成，安装在无人机机体头部，为无人机提供前进推力；所述电源系统由机载电池及相关线缆构成，安装在机身内部，为无人机各分系统供电；所述控制系统主要是机载飞控，安装于机身内部，机载飞控处理其内部传感器、地面控制端控制指令及低成本视觉系统传输的信号，并向动力系统及伺服系统舵机输出控制信号，控制飞机自主飞行。
57.所述无人机为常规固定翼布局，采用静稳定设计。
58.所述无人机机身结构采用了低成本的玻璃纤维材料，能够快速大批量制造，且落入火场不会燃烧；机身内部容积大，适合于大量装载。
59.所述无人机机翼为提高巡航性能采用大展弦比设计，为提高飞行稳定性采用上单翼设计，为制造简单降低成本采用梯形平直翼设计。
60.所述无人机尾翼为提高大角度俯冲机动时的舵面控制力采用大尾容t型设计。t型尾翼广泛应用于大型军用运输机和尾吊式发动机布局的民用客机上，t型尾翼将平尾抬高，避开了机翼尾流干扰，使其操纵效率提高，且抬高的平尾增大了距离飞机焦点的力臂长度，增大了俯仰操纵力矩，提高了俯仰灵活性。
61.所述无人机动力系统采用前拉式动力，为降低成本采用市面上成熟的电机及桨叶。国内如t
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motor、好盈生产各类无人机电机，t
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motor、劲旋风生产各类无人机桨叶，电机及桨叶技术成熟，性能优异价格低廉。
62.所述无人机电源系统为高能量密度的锂氟化碳一次性电池，其在相同电量下比二次电池更轻，能够省下更多载荷重量分配给灭火剂，且价格更低。
63.所述无人机控制系统选用市场上成熟的飞控，既能满足无人机控制要求，且价格便宜可大批量供应，如开源飞控apm系列、pixhawk系列、taulabs系列等，这类飞控用户群庞大，代码开源，经历了多年、大量专业人士的优化，性能优越价格低廉。
64.所述无人机低成本视觉系统配备低成本光学摄像镜头，实时采集火场图像数据，为飞控系统提供视觉导航数据，实时修正导航偏差。市面上如索尼、大疆均有成熟且价格低
廉的光学摄像头。
65.在一个实施例中，所述无人机机身内部灭火子装置为三个体积约0.16m
×
0.15m
×
0.18m(4.3l)的子装置，装药量约为超细干粉灭火剂6.6kg,采用触地起爆或者温度延时起爆。
66.在一个实施例中，所述无人机机翼内部灭火子装置为两个体积约0.02m
×
0.15m
×
0.5m(1.5l)的子装置，子装置内包含超细干粉灭火剂及引爆系统,采用触地起爆或者温度延时起爆。引爆系统主要由引信、中心抛撒药组成，引信发火方式为碰炸及温度延时触发，引信发火后引爆中心抛撒药，利用抛撒药的高爆速和做功能力确保灭火剂均匀抛撒。
67.所述灭火剂为超细干粉灭火剂，相较于其他常用灭火剂，超细干粉灭火剂(超细干粉灭火剂的相关标准详见中华人民共和国公共安全行业标准ga578
‑
2005《超细干粉灭火剂》)，灭火原理结合了化学和物理两种灭火机理，其中化学抑制作用是其灭火基本机理，而该灭火方式克服了物理灭火存在的灭火速度慢、效率低的问题。同时，由于超细干粉灭火剂粒径很小，因此在相同重量下，它具有更广泛的覆盖面积和更强的附着性，上述优势确保了超细干粉灭火剂最佳的相对灭火效率。超细干粉灭火剂不仅对大气臭氧层耗减潜能值(odp)为零，温室效应潜能值(gwp)为零，对人体皮肤无刺激，对保护物无腐蚀，无毒无害；灭火后残留物易清理，不易造成火场中人员中毒或窒息死亡，储存期限可达10年。
68.在另一个实施例中的低成本自杀式灭火无人机，还包括伺服系统、导航系统、通信系统，伺服系统根据控制系统提供的指令对无人机舵面进行控制，为无人机提供控制力矩；导航系统为控制系统提供导航数据；通信系统为无人机及地面控制端提供数据收发；伺服系统、导航系统及通信系统安装于机身结构内部，都是常规技术。市面上常见的无人机伺服舵机、gps导航系统、通讯系统等，均可直接购买并应用到本发明的无人机中。
69.总之，本发明所述的一种用于森林灭火的一种低成本自杀式灭火无人机，内部携带有超细干粉灭火剂，通过大角度俯冲方式瞄准火场进行灭火阻燃。地面控制端接收到灭火指令后，向无人机发送火场位置数据，无人机通过地面弹射装置弹射起飞，并通过自身动力系统向目标区域飞行。抵达目标位置附近后，低成本视觉系统开始工作，获取目标火场图像，飞行控制系统处理低成本视觉系统数据后实时修正目标导航信息，并瞄准目标点飞行。在距目标点约500m处开始大角度俯冲，高速冲入目标火场，其灭火装置触地起爆或温度延时起爆，将内部超细干粉灭火剂通过冲击波迅速散布到大范围火场实现灭火及阻燃。无人机采用的结构材料、各分系统多采用市场上的成熟产品，总成本低，适合大量使用。