一种直升机消防吊桶精准灭火辅助装置的制作方法

1.本发明具体涉及一种直升机消防吊桶精准灭火辅助装置。


背景技术：

2.目前，直升机吊桶洒水灭火时主要依靠机组人员的技术经验及地勤人员的密切配合，如果遭遇地形恶劣、火场烟雾、风速风向等条件的制约，在扑火灭火中经常出现洒水落点偏离、精确度较差的情况。同时，洒水高度由于无法精确计算,导致难于科学控制最佳飞行高度和最佳洒水时机，往往花费数倍时间，且不乏未能及时遏制火势，对生态环境、消防人员安全造成威胁。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种直升机消防吊桶精准灭火辅助装置，降低了吊桶操作难度，极大提升了灭火效率，可有效减少火灾损失，社会效益显著。
4.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
5.一种直升机消防吊桶精准灭火辅助装置，包括设置于直升机舷梯上的悬挂支架，及设置于悬挂支架上的控制器、风速传感器、组合导航系统和光电吊舱，控制器分别与风速传感器、组合导航系统和光电吊舱连接，直升机驾驶室内设有显示终端，显示终端与控制器和光电吊舱连接。
6.按照上述技术方案，飞机正常飞行时，精准灭火辅助装置通过机上电源上电后，首先进行上电初始化和上电自检，之后处于巡检状态并监测目标跟踪信号；光电吊舱通过串口1将吊舱状态、经纬度、高度信息上传至控制器，组合导航模块通过串口2将速度、角度、加速度、角速度、磁场、经纬度数据发送至控制器，风速传感器通过rs485串口将风速和风向信息发送至控制器，控制器对所有数据进行打包处理，然后通过串口4将打包处理后的数据上传至显示终端，同时光电吊舱通过网口将拍摄的红外视频图像和可见光图像传输至显示终端，显示终端将控制器通过串口4发送的信息和光电吊舱通过网口发送的图像信息均显示出来。
7.按照上述技术方案，当吊桶操作员在显示终端屏幕上发现疑似火点时，操作员通过显示终端点击该目标的操作，对目标火点进行跟踪；显示终端检测到目标跟踪信号后，通过串口4发送控制指令至控制器，控制器通过串口1将控制指令转发至光电吊舱，光电吊舱根据指令进行转动直至锁定目标火点，控制器根据光电吊舱测量的距离、吊舱姿态角度、风速风向、飞机飞行速度、高度、航向信息，实时计算直升机理想航向和实际航向，并通过串口4#上传至显示终端；显示终端对比显示当前飞行实际航向与理想航向，引导飞行员操控飞机向理想航线靠拢，当控制器检测到直升机航向调整至正确时控制器计算出投洒水的最佳时间，通过显示终端实时显示控制组件上传的洒水倒计时，待飞机飞行到合适洒水位置时，显示终端发出洒水提示，吊桶洒水控制员根据洒水提示打开吊桶洒水控制开关，完成洒水
灭火动作。
8.按照上述技术方案，当目标火点被锁定后，光电吊舱输出的图像画面会一直保持火点在画面中心，当飞机移动时，光电吊舱为了保持跟踪，会不断的调整航向角和俯仰角，让火点画面一直居中，光电吊舱内激光测距仪开始周期性测量光电吊舱距离目标点的距离及此时光电吊舱的姿态角度，并周期性上传至控制器。
9.按照上述技术方案，直升机的理想航向是指理论飞行航线与目标火点的侧向距离sc＝sy+dy，其中sy为吊桶内水落地时的侧向运动距离，dy为吊桶的侧向位移；
10.直升机的实际航向是指实际飞行航线与目标火点的侧向距离ss＝dcosθsinδ；其中d为根据光电吊舱激光测距所测的距离，δ为光电吊舱的航向角，θ为光电吊舱的俯仰角。
11.按照上述技术方案，直升机航向调整至正确的认定标准在于：若0.8sc≤ss≤1.2sc，则认为航向准确，否则认为航向不正确。
12.按照上述技术方案，，投洒水的最佳时间td＝t
4-δt
1-δt2；其中，t4为直升机飞到目标火点所需时间，δt1为人工洒水操作响应时间，δt2为消防吊桶响应时间；
13.直升机飞到目标火点所需时间t4＝(s
q-s
gd-s
x
+d
x
)/vf；其中s
gd
为吊舱与消防吊桶吊索悬挂点之间的前向距离，sx为水落地时的前向运动距离，dx为吊桶的滞后位移，vf为直升机飞行速度。
14.按照上述技术方案，直升机光电吊舱与目标火点的前向距离sq＝dcosδsinθ；其中d为根据光电吊舱激光测距所测的距离，δ为光电吊舱的航向角，θ为光电吊舱的俯仰角。
15.按照上述技术方案，水落地时的前向运动距离sx的计算过程为：先计算水滴收尾速度，再计算水加速至水滴收尾速度过程的水加速阶段位移hz，并根据水加速阶段位移hz，判断从吊桶出来的水在落地过程中的运动状态，从而求出水落地时的前向运动距离sx和侧向运动距离sy。
16.按照上述技术方案，水滴收尾速度其中，其中，ρw为水体密度，g是重力加速度，r为水滴半径，可通过洒水实验进行校正；cd为风阻系数，实验测定球体的空气阻力系数约为0.5，ρa为空气密度。
17.按照上述技术方案，根据水加速阶段位移hz，判断水在落地过程中的运动状态的具体过程为：当hz＜h1时，水滴从吊桶出来后在落地过程中是先加速后以收尾速度匀速运动；当水滴加速阶段的位移hz≥h1时，水滴从吊桶出来后在落地过程中是一直加速运动。
18.本发明具有以下有益效果：
19.1.本装置解决了传统人工观测指导洒水灭火方式洒水落点偏离、精确度较差等问题，降低了吊桶操作员操作难度，极大提升了灭火效率，可有效减少火灾损失，社会效益显著。
20.2.本发明采用直升机消防吊桶精准灭火辅助装置，当飞机中吊桶洒水控制员在显示终端上选中预灭目标火点时，精准灭火辅助装置收到目标跟踪信号，光电吊舱组件转动实现对目标火点的实时跟踪，控制器计算出飞机当前飞行轨迹、理想航向和洒水倒计时时间；显示终端对比显示当前飞行方向与理想航向，引导飞行员操控飞机向理想航线靠拢，同时显示终端实时显示控制组件上传的洒水倒计时，待飞机飞行到合适洒水位置时，显示终端发出洒水提示，吊桶洒水控制员根据洒水提示打开吊桶洒水控制开关，完成洒水灭火动
作，实现精准灭火，大幅提升吊桶洒水灭火精度，同时降低吊桶操作员操作难度，有效减少火灾损失。
附图说明
21.图1是本发明实施例中直升机消防吊桶精准灭火辅助装置的架构图；
22.图2是本发明实施例中直升机消防吊桶精准灭火辅助装置的原理框图；
23.图3是本发明实施例中直升机消防吊桶精准灭火辅助装置的结构示意图；
24.图中，1-悬挂支架，2-光电吊舱，3-风速传感器，4-组合导航系统，5-控制器，6-直升机舷梯，7-显示终端。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
26.参照图1～图3所示，本发明提供的一个实施例中的一种直升机消防吊桶精准灭火辅助装置，包括设置于直升机舷梯上的悬挂支架，及设置于悬挂支架上的控制器、风速传感器、组合导航系统和光电吊舱，控制器分别与风速传感器、组合导航系统和光电吊舱连接，直升机驾驶室内设有显示终端，显示终端与控制器和光电吊舱连接，消防吊桶悬挂于悬挂支架上。
27.进一步地，飞机正常飞行时，精准灭火辅助装置通过机上电源上电后，首先进行上电初始化和上电自检，之后处于巡检状态并监测目标跟踪信号；光电吊舱通过串口1#将吊舱状态、经纬度、高度信息上传至控制器，组合导航模块通过串口2#将速度、角度、加速度、角速度、磁场、经纬度数据发送至控制器，风速传感器通过rs485串口将风速和风向信息发送至控制器，控制器对所有数据进行打包处理，然后通过串口4#将打包处理后的数据上传至显示终端，同时光电吊舱通过网口将拍摄的红外视频图像和可见光图像传输至显示终端，显示终端将控制器通过串口4#发送的信息和光电吊舱通过网口发送的图像信息均显示出来。
28.进一步地，当吊桶操作员在显示终端屏幕上发现疑似火点时，操作员通过显示终端点击该目标的操作，对目标火点进行跟踪；显示终端检测到目标跟踪信号后，通过串口4#发送控制指令至控制器，控制器通过串口1#将控制指令转发至光电吊舱，光电吊舱根据指令进行转动直至锁定目标火点，控制器根据光电吊舱测量的距离、吊舱姿态角度、风速风向、飞机飞行速度、高度、航向信息，实时计算直升机理想航向和实际航向，并通过串口4#上传至显示终端；显示终端对比显示当前飞行实际航向与理想航向，引导飞行员操控飞机向理想航线靠拢，当控制器检测到直升机航向调整至正确时控制器计算出投洒水的最佳时间，通过显示终端实时显示控制组件上传的洒水倒计时，待飞机飞行到合适洒水位置时，显示终端发出洒水提示，吊桶洒水控制员根据洒水提示打开吊桶洒水控制开关，完成洒水灭火动作。
29.进一步地，当目标火点被锁定后，光电吊舱输出的图像画面会一直保持火点在画面中心，当飞机移动时，光电吊舱为了保持跟踪，会不断的调整航向角和俯仰角，让火点画面一直居中，光电吊舱内激光测距仪开始周期性测量光电吊舱距离目标点的距离及此时光电吊舱的姿态角度，并周期性上传至控制器。
30.采用所述的直升机消防吊桶精准灭火辅助装置实施直升机消防吊桶精准灭火智能辅助方法，包括以下步骤：
31.步骤1，通过设置于直升机上的光电吊舱锁定目标火点，并通过光电吊舱和直升机上的组合导航系统实时检测目标火点位置信息及飞行状态信息；
32.步骤2，根据飞行状态信息及目标火点位置信息求得吊桶距目标火点的相对高度h1；
33.步骤3，根据从吊桶出来至落地过程中水的运动状态，计算吊桶出水的落地时间、前向运动距离和侧向运动距离；
34.步骤4，计算出直升机的理想航向和实际航向；
35.步骤5，控制器通过实际航向与理想航向的偏差，实时自动判断航向是否正确，并提示飞行员根据实际航向与理想航向的偏差调整航向；
36.步骤6，重复以上步骤1-5直至，直升机航向调整至正确，计算直升机与目标火点的前向距离sq及直升机飞到目标点所需时间t4；
37.步骤7，根据直升机飞到目标火点所需时间t4，计算最佳洒水时间。
38.进一步地，在所述的步骤1中，目标火点信息包括光电方位角、光电俯仰角、光电航向角、激光测距值，飞行状态信息包括直升机飞行速度、飞行高度、直升机航向角、直升机俯仰角、直升机滚转角、导航定位信息、气压高度、经纬度等数据，导航定位信息包括gps东速、gps北速、北斗地速、北斗高度；还包括通过直升机上的风速传感器检测的风速风向。
39.进一步地，在所述的步骤2中，求得吊桶距目标火点的相对高度h1的具体过程为：先根据光电吊舱对目标火点进行锁定测量的激光测距值和光电俯仰角及航向角计算直升机与目标火点之间的相对高度h，然后计算直升机运动时吊桶的偏移量，吊桶的偏移量包括吊桶的滞后位移dx，吊桶的侧向位移dy，吊桶距离机舱底部的垂直高度dz，再计算出吊桶距目标火点的相对高度h1＝h-dz，如图2所示。
40.计算直升机与目标火点之间的相对高度h的具体过程为：激光测距值可求得直升机和目标火点之间的直线距离，结合光电吊舱的光电俯仰角及航向角形成的三角函数，即可求得直升机与目标火点之间的相对高度h。
41.进一步地，当激光测距失效后，使用高度丢失后的组合导航系统海拔高度变化来修正高度的变化；当组合导航系统也失效时，采用使用高度丢失后的气压高度变化来修正高度的变化。
42.进一步地，在所述的步骤1中，直升机运动时吊桶的偏移量，直升机在挂载装满水的吊桶飞行过程中，吊桶会受到侧向风、吊索、空气阻力和自身重力的影响，根据力学平衡状态分析，可得到吊索拉力、空气阻力、吊桶与水重力、风载荷之间的关系，从而求出悬挂消防吊桶的吊索与各个坐标轴之间的夹角，根据吊索长度及三个轴向的夹角，可求出吊桶的滞后位移、侧向位移和距离机舱底部的垂直高度。
43.进一步地，在所述的步骤3中，根据从吊桶出来至落地过程中水的运动状态，计算吊桶出水的落地时间、前向运动距离和侧向运动距离的具体过程为：先计算水滴收尾速度，再计算水加速至水滴收尾速度过程中的水加速阶段位移hz，并根据水加速阶段位移hz，判断水在落地过程中的运动状态，从求出水落地时的前向运动距离sx和侧向运动距离sy。
44.进一步地，水滴收尾速度其中，其中，ρw为水体密度，g是重力加速度，r为水滴半径，可通过洒水实验进行校正；cd为风阻系数，实验测定球体的空气阻力系数约为0.5，ρa为空气密度。
45.进一步地，根据水加速阶段位移hz，判断水在落地过程中的运动状态的具体过程为：吊桶内的水由一定速度流出后，如果高度比较大，在竖直方向上，水滴会先加速至收尾速度，然后以该速度匀速运动至地面；当hz＜h1时，水滴从吊桶出来后在落地过程中是先加速后以收尾速度匀速运动；当水滴加速阶段的位移hz≥h1时，水滴从吊桶出来后在落地过程中是一直加速运动。
46.进一步地，若水从吊桶流出后到落地时在垂直方向一直进行加速运动，则根据相应运动学方程求出水加速阶段时间t1，然后求出水落地时的前向和侧向运动距离s
x1
、s
y1
，令s
x
＝s
x1
、sy＝s
y1
；
47.若水从吊桶流出后到落地时处于先加速后匀速运动状态，则根据相应运动学方程求出水加速阶段时间t2和匀速运动时间t3，然后求出水落地时的前向和侧向运动距离s
x2
、s
y2
，令s
x
＝s
x2
、sy＝s
y2
；
48.并求解s
x
、sy的公式也不一样。
49.进一步地，在所述的步骤4中，直升机的理想航向是指理论飞行航线与目标火点的侧向距离sc＝sy+dy，其中sy为吊桶内水落地时的侧向运动距离，dy为吊桶的侧向位移；飞行航线与目标火点的侧向距离，即在侧向风作用下，飞行航线需要有一定的侧向偏移量。
50.直升机的实际航向是指实际飞行航线与目标火点的侧向距离ss＝dcosθsinδ；其中d为根据光电吊舱激光测距所测的距离，δ为光电吊舱的航向角，θ为光电吊舱的俯仰角。
51.进一步地，在所述的步骤5中，对判断直升机航向是否正确的具体过程为：若0.8sc≤ss≤1.2sc，则认为航向准确，否则认为航向不正确。
52.进一步地，在所述的步骤6中，直升机光电吊舱与目标火点的前向距离sq＝dcosδsinθ；其中d为根据光电吊舱激光测距所测的距离，δ为光电吊舱的航向角，θ为光电吊舱的俯仰角；
53.直升机飞到目标火点所需时间t4＝(s
q-s
gd-s
x
+d
x
)/vf；其中s
gd
为吊舱与消防吊桶吊索悬挂点之间的前向距离，是一固定值，可实际测得，sx为水落地时的前向运动距离，dx为吊桶的滞后位移，vf为直升机飞行速度，是测量值。
54.进一步地，最佳洒水时间td＝t
4-δt
1-δt2；其中，δt1为人工洒水操作响应时间(即操作员看到计时情况，至按下按钮的反应时间)，可通过多次实验评估测试，δt2为消防吊桶响应时间，可由吊桶说明书或吊桶响应测试(按钮按下时刻至吊桶出水时刻，包括传输响应、吊桶响应时间等)求得；
55.在所述的步骤7中，当td＜10s时，以倒计时形式在显示终端显示洒水倒计时时间，提醒吊桶操作员做好洒水准备，当td＝0时，即为最佳洒水时刻，吊桶操作员根据提示执行洒水操作。
56.精准灭火辅助装置的显示终端安装在直升机舱内吊桶操作员座位附近，控制器、光电吊舱等其他组件安装在森林消防直升机机腹右侧弦梯上，飞机正常飞行时，精准灭火辅助装置通过机上电源上电后进行自检，之后处于巡检状态并监测目标跟踪信号。光电吊
舱组件对地面火点进行空中探测，完成对火点的可见光及红外视频拍摄，并测量出与火点间的距离；组合导航系统测量飞机飞行速度、高度、经纬度、姿态角度等；风速传感器用于测量风速和风向等信息；控制器可实现与光电吊舱、组合导航系统、风速传感器、显示终端的通讯，对接收到的数据进行综合处理,显示终端可将光电吊舱组件探测到的火点情况进行显示。当飞机中吊桶洒水控制员在显示终端上选中预灭目标火点时，精准灭火辅助装置收到目标跟踪信号，光电吊舱组件转动实现对目标火点的实时跟踪，控制器根据测量的距离、飞行速度、风速风向等信息计算出飞机理想航向和洒水倒计时时间；显示终端对比显示当前飞行方向与理想航向，引导飞行员操控飞机向理想航线靠拢，同时显示终端实时显示控制组件上传的洒水倒计时，待飞机飞行到合适洒水位置时，显示终端发出洒水提示，吊桶洒水控制员根据洒水提示打开吊桶洒水控制开关，完成洒水灭火动作。
57.综上所述，直升机消防吊桶精准灭火辅助装置已经在消防直升机上通过了飞行验证试验，实际投水能够覆盖目标区域80％以上，解决了传统人工观测指导洒水灭火方式洒水落点偏离、精确度较差等问题，降低了吊桶操作员操作难度，极大提升了灭火效率，可有效减少火灾损失，社会效益显著。目前,我国长期备勤值守的森林消防和应急救援类直升机共约100架，直升机吊桶洒水灭火仍处于探索阶段，精准灭火辅助装置有效填补了该领域的研究空白，不仅可用于直升机消防灭火，还可用于日常训练，森林消防局下属多个航空救援支队均对此产品有采购意向，具有良好的应用前景，经济效益极大。
58.以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。