[发明专利]一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统

权利要求书

1.一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法，其特征在于，

所述基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统包括：自平衡增稳式系留无人机子系统和设置在地面上的地面保障子系统，所述地面保障子系统为消防车或无人机承载运输车，所述自平衡增稳式系留无人机子系统通过管缆系统与地面保障子系统连接并配合使用；所述管缆系统包括：为所述自平衡增稳式系留无人机子系统供电或油的能源电缆或油管、自平衡增稳式系留无人机子系统与地面保障子系统通信的通信线缆以及为所述自平衡增稳式系留无人机子系统提供灭火介质的消防软管；

所述自平衡增稳式系留无人机子系统包括：系留无人机(1)，设置在所述系留无人机(1)上的可控稳定喷射机构(2)，现场实时监测系统(3)、告警系统(4)，避障及防撞系统(5)、破窗机构(6)以及机载飞控子系统(11)；其中：

所述可控稳定喷射机构(2)包括可伸缩管和两轴增稳机构，所述可伸缩管用于喷射消防用灭火剂；所述两轴增稳机构用于调整所述可伸缩管的方向和姿态角，所述两轴增稳机构包括第一旋转轴(21)，第二旋转轴(22)，上端部(23)以及机械接口(24)，其中所述第一旋转轴(21)和第二旋转轴(22)均通过步进电机控制，用于控制可控稳定喷射机构的水平和上下偏移角度，所述第二旋转轴(22)嵌置在所述第一旋转轴(21)内部并且第二旋转轴(22)的两臂与所述第一旋转轴(21)的两臂同向紧密贴合连接，所述上端部(23)的下端面与所述第一旋转轴(21)的上端面机械连接，所述上端部(23)的上端面通过机械连接端口与所述系留无人机(1)的底部连接，所述机械接口(24)具有多个，分别设置在所述第二旋转轴(22)的两臂与所述第一旋转轴(21)的两臂贴合处，通过所述机械接口(24)将所述可控稳定喷射机构与所述第一旋转轴(21)和所述第二旋转轴(22)连接；

所述机载飞控子系统(11)为三余度设计，包括三台飞控计算机，每台飞控计算机运行相同的任务，所述任务包括初始化、同步、数据采集、输入数据交叉传输、输入数据比较、数据融合、控制率计算、输出数据交叉传输、输出数据比较和故障处理中的一种或多种组合；通过投票确定三台飞控计算机中的主控计算机；

所述一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统还包括：舵机旋转机构，所述管缆系统的一端通过舵机旋转机构与所述系留无人机(1)连接使用，并且能在发生意外情况时通过机载飞控子系统控制执行机构，使所述管缆系统与系留无人机脱离；其中，

所述舵机旋转机构包括无人机固定端(A)、上下接头旋转防拉脱结构(B)以及旋转锁紧机构(C)，所述舵机旋转机构为L型结构，无人机固定端(A)位于L型结构的一个臂上，上下接头旋转防拉脱结构(B)以及旋转锁紧机构(C)位于另一个臂上，无人机固定端(A)和上下接头旋转防拉脱结构(B)通过旋转锁紧机构(C)连接，无人机固定端(A)的一端固定在无人机上，上下接头旋转防拉脱结构(B)用于使得能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头连接后不会被拉力拉脱开，上下两个接头连接完全后，通过旋转锁紧机构(C)使两个接头连接锁紧，旋转锁紧结构(C)通过两个舵机作为执行机构，在机载飞控子系统的控制下，其中一个舵机控制旋转锁紧结构(C)正反向旋转来锁紧和放开能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头，另一个舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离；

所述现场实时监测系统(3)由光电吊舱、监测摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器以及差分定位天线中的一种或多种组成，用于将火场实时情况通过图像和测距数据的形式传输给现场指挥车；

所述告警系统(4)包括语音告警器和灯光告警器，用于基于接收到的控制指令分别实施语音告警/告诫和灯光告警/告诫；

所述避障及防撞系统(5)用于确保无人机在执行灭火任务时不会撞到障碍物，包括毫米波雷达作为传感器形成毫米波避障及防撞系统，毫米波避障防撞子系统将系留无人机(1)的速度和距离、光电吊舱提供的画面、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器和/或差分定位天线中任意一个或多个提供的测距数据发送给地面保障子系统内的车载任务管理子系统并与高层建筑三维模型进行融合匹配后获得匹配结果，将匹配结果进行人工确认，所述人工确认后向系留无人机(1)发送防撞信息；

所述破窗机构(6)与所述告警系统(4)均设置在所述系留无人机(1)的机身下方，所述破窗机构(6)包括破窗弹发射机构；

所述语音告警器包括语音合成器和/或高音扬声器，所述灯光告警器包括LED告警/告诫灯，灯光告警器为红色的情况下实施告警，琥珀色的情况下实施告诫，所述语音告警/告诫和灯光告警/告诫还包括对于应急抛放消防软管，和/或抛放能源电缆或油管、通信线缆、和/或启动应急弹射伞、和/或通知地面人员撤离相关区域的告警/告诫；

所述系留无人机(1)内还设置应急蓄电池，当所述系留无人机(1)丧失电力时由所述应急蓄电池提供应急电源；

所述控制方法包括：

S1，消防灭火前的预备控制，包括：实施空中和地面语音告警程序，当系留无人机(1)准备起飞时，机载飞控子系统(11)向告警系统(4)发送指令，所述告警系统(4)发出声音，同时航灯(14)闪烁，起飞一定高度后语音和航灯(14)闪烁关闭；

S2，消防灭火过程中的控制，包括：

S21，搭载的双频差分子系统依据车载双频差分基站的数据为机载飞控子系统(11)建立相对于消防车或无人机承载运输车的坐标系，并跟随消防车或无人机承载运输车的运动而重新对准，进行系留无人机(1)的准确定位、定高和定向；

S22,根据系留无人机(1)上搭载的全向风速子系统和双频差分子系统，以及避障及防撞系统(5)、消防车或无人机承载运输车的运动，实现系留无人机相对于消防车或无人机承载运输车以及高层建筑三维模型的位置、速度、速度方向、姿态、角速率、航向、高度和升降速度的稳定和控制；

S23，毫米波避障及防撞系统依据所述高层建筑三维模型、系留无人机在升起过程中光电吊舱、避障及防撞系统提供的数据为机载飞控子系统建立电子围栏；毫米波避障及防撞系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面和激光测距数据匹配到高层建筑三维模型中，匹配结果经过车载任务管理子系统人工确认后，毫米波避障及防撞系统将防撞信息提供给机载飞控子系统进行纠正，防止系留无人机撞击建筑；

S24，系留无人机携带光电吊舱进行火情侦察和火点智能判别，光电吊舱把火灾现场情况实时传输到地面指挥控制舱，操作人员获取并确认火灾实时信息后，按照受困人员、危险点、火点进行灭火优先智能决策和人工决策；

S25，对可控稳定喷射机构的喷射点位进行控制，完成稳定灭火；

S3，应急情况的控制，包括：

S31，根据螺旋桨失效状态、消防软管的拉力测量数值、全向风速子系统获得的最大风速、无人机稳定飞行程度，发出应急回收、应急抛管或应急抛伞指令后实施消防软管、能源电缆或油管和通信线缆应急抛防程序：当无人机姿态出现大幅度变化超出飞控内设定的安全姿态管道后，飞控启动消防软管和线缆抛离指令，同时语音告警系统发出警告，告知地面人员远离无人机下方区域，然后完成抛离；

S32，应急弹射伞程序：当机载飞控子系统判定系留无人机姿态不可控时，立刻发出应急弹伞指令，使救援降落伞弹出，并关闭发动机或电机，通过救援降落伞使系留无人机缓慢落地，保证地面人员和设备安全。