CN108144217A - 一种消防用无人机云台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防用无人机云台，主体结构、水枪、水带、绳索和水带快速接口，水枪与主体结构固定连接，水枪的进水口通过水带与水带快速接口连接，水带快速接口通过绳索与主体结构连接，主体结构具有两个自由度，包括为水平旋转部分和俯仰旋转部分，采用二自由度结构设计可以覆盖更广的灭火范围，并且运动更加灵活。采用独立负载结构可以大大减轻水平电机，俯仰电机的功率，并且可以减小整体结构的尺寸和重量。在与消防水带连接上，由于云台自身已经自带了一部分的消防水带、水枪，所以在连接上就很方便快速。只需要将外部的消防水带跟水带安装接头下方连接就行，这样可以做到方便快速连接。

Description

一种消防用无人机云台

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种消防用无人机云台。

背景技术

近年来，随着我国经济迅猛发展，高层建筑急剧增加。截止2011年，西安有3300多栋高层建筑，其中超过150米以上的超高层超过30个，2014年上海高层建筑的数量超过30000栋。这一栋栋高层带来了极大的消防隐患，而且国内外大量案例证明，高层建筑很容易发生火灾，特别是严重火灾。高层火灾破坏力极大，而且现有消防设备很难对付50米以上着火点，导致高层建筑火灾层出不穷，并有愈演愈烈之势。

高层建筑消防安全是世界性难题，目前的手段总结起来有以下几点：(1)消防云梯车，(2)空气泡沫车，(3)消防直升机，(4)专业的灭火救援队伍。

而这些手段都有各自的缺点，分别是：(1)举高车辆举高度限制，国内现有最好的消防举高车只能达到50多米高，相当于十几层楼的高度(虽然目前有少数地区配备登高车辆达到80米、100米范围，但在全国并未普及)，对高于其极限高度的楼层被困人员，消防队员无法利用举高车辆进行营救，而且利用水枪或水炮外攻射流的效果也会大打折扣。

(2)消防员登高能力的限制，消防员至少身负20公斤设备攀登，需要消耗大量体力，待到达起火层后会因为体力透支，使战斗力下降。

(3)登高路径的限制，当消防电梯电源关闭、举高车辆达不到起火层高度时，消防员只能选择沿内部疏散楼梯向上攀登，此时一是受疏散楼梯的防烟性能影响，二是会与向下疏散的人群发生对冲，既影响了人群的疏散速度，又阻碍拖延了消防员的攀登速度。

(4)灭火效率低，高楼火灾发展极快，因此特别要注重第一出动力量，“高楼火灾如果不在第一时间遏制住火势，等到火势一大就很难控制”。而目前大型消防车辆，受制于我国城市道路和操作空间等问题，很难在第一时间展开救援。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种消防用无人机云台，该云台具有重量轻，承载能力大的特点。该一种消防用无人机云台与大负载无人机配合使用，可以突破举高车辆举高不足的问题，直接将高压水带带到消防车无法到达的楼层进行灭火；甚至可以自带增压水泵，直接进行灭火，彻底解决现有消防车辆面对高层火灾无能为力的现状。

为达到上述目的，本发明所述一种消防用无人机云台包括主体结构、水枪、水带和水带快速接口，水枪与主体结构固定连接，水枪的进水口通过水带与水带快速接口连接，水带快速接口与主体结构连接，且水带快速接口与主体结构之间的距离可调节，主体结构与无人机连接，主体结构包括带动水枪水平转动的水平旋转部分和带动水枪俯仰运动的俯仰旋转部分。

进一步的，水平旋转部分包括水平电机和用于固定水平电机的基座，水平电机上设置有用于将负载维持在设定的位置的电机刹车，水平电机的输出轴与水平轴连接，水平轴通过交叉滚子轴承与俯仰支架连接。

进一步的，基座下端面设置有限位档杆，俯仰支架上端面设置有限位挡块，当俯仰支架水平旋转180°时限位档杆和限位挡块接触，基座上相隔180°方向上有两个基座接近开关，两个基座接近开关所在的直线L1与限位档杆和限位挡块所在的直线L2垂直，且L1和L2的中点相交，俯仰支架上设置有两个第一感应金属片。

进一步的，水平电机的输出轴通过减速器与水平轴连接，水平电机的输出轴与减速器键连接，减速器输出端与水平轴法兰连接，水平轴的其余轴段为通径，减速器为谐波减速器。

进一步的，基座两侧设置有管夹，管夹为圆筒形，管夹中设置有支撑杆，支撑杆用于将整个云台与无人机的支撑脚固定，支撑杆为碳纤维空心支撑杆。

进一步的，俯仰旋转部分包括俯仰电机和俯仰支架，俯仰电机上设置有电机刹车，俯仰电机的输出轴与减速器键连接，减速器的输出端与俯仰轴法兰连接，俯仰轴与水枪挂架通过键连接，俯仰轴呈法兰状的一端与减速器法兰连接，其余轴段为通径，俯仰支架包括水平支板和并列固定在水平支板下端面的两个竖板，两个竖板上设置有用于穿过俯仰轴的通孔，水枪挂架上部设置在两个竖板之间，水枪挂架下端与水枪固定连接。

进一步的，俯仰支架上设置有俯仰支架接近开关和用于限定俯仰轴转动角度的限位柱，限位柱固定在俯仰支座一侧的竖板内侧面上，水枪挂架上设置有金属片，当水枪挂架自初始位置转动设定角度时，接近开关就会感应到位于水枪挂架上的第二感应金属片，接近开关动作。

进一步的，俯仰轴自由端设置有相机支座，相机支座上固定设置有相机。

进一步的，水带快速接口通过绳索与主体结构连接。

进一步的，主体结构采用尼龙材料PA6制成。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果。本发明与无人机配合解决了背景技术中其他消防方式存在的高度、等高路径、行车路径以及消防员体力受到限制的问题，采用独立负载结构，首先做到负载和工作区分开，可以大大减轻水平电机和俯仰电机的功率，并且可以减小整体结构的尺寸和重量。这样的好处是减少了俯仰轴上的负载重量，俯仰轴相对需要的驱动转矩就很小，这样来说在很小功率的电机驱动下，水枪在工作时候反应就会比较迅速。并且可以做到以用重量很轻的结构来承受较大的负载。在与消防水带连接上，由于云台自身已经自带了一部分的消防水带、水枪，所以在连接上就很方便快速。只需要将外部的消防水带跟水带快速接口下方连接就行，这样可以做到方便快速连接。水带快速接口与主体结构之间的距离可调节，可以使高度方向空间的灵活利用。

进一步的，基座下端面设置有限位档杆，俯仰支架上端面设置有限位挡块，当俯仰支架水平旋转180°时限位档杆和限位挡块接触，基座上相隔180°方向上有两个基座接近开关，两个基座接近开关所在的直线L1与限位档杆和限位挡块所在的直线L2垂直，且L1和L2的中点相交，俯仰支架上设置有两个第一感应金属片，当云台要确定水平旋转的初始位置，水平电机带动俯仰支架旋转，当限位档杆和限位挡块接触时，水平电机暂停，随后开始反转，当两个基座接近开关任意一个感应到金属片时，这时说明云台距离水平初始位置的角度为90度，这时水平电机再驱使俯仰支架旋转90度后就到达初始位置，可以方便的使俯仰支架回到初始位置，从而实现云台任意位置启动。

进一步的，水平电机的输出轴与减速器键连接，减速器的输出端与水平轴法兰连接，水平轴的其余轴段为通径，减速器为谐波减速器，可以在保证很大的传动比的情况下可以有很小的重量。

进一步的，基座两侧设置有管夹，管夹为圆筒形，管夹中设置有支撑杆，支撑杆能将整个云台与无人机的支撑脚固定，支撑杆为碳纤维空心支撑杆。

进一步的，俯仰支架上设置有俯仰支架接近开关和用于限定俯仰轴转动角度的限位柱，限位柱固定在俯仰支座一侧的竖板内侧面上，水枪挂架上设置有金属片，当水枪挂架自初始位置转动设定角度时，接近开关就会感应到位于水枪挂架上的第二感应金属片，接近开关动作，当俯仰轴转动时，水枪挂架随着转动，当水枪挂架自初始位置转动至设计的角度时，会转到限位柱位置而被限位柱卡住，这时俯仰电机停止工作。两个接近开关用来限定旋转角度并且确定俯仰运动的初始运动。当需要确定俯仰运动的初始位置时，俯仰电机带动水枪挂架朝任意方向运动，当两个接近开关中的任意一个感应到两个金属片中的任意一个，俯仰支座便向相反的位置运动度就到初始位置。

进一步的，水带快速接口通过绳索与主体结构连接，由于采用柔性连接，无人机在起飞和降落时，下方的连接水带会因为重力的作用慢慢展开和收缩，并且不会缠绕；当无人机准备起飞时，由于绳索可以伸展和收缩，负载随着无人机的逐渐升高慢慢提升，当无人机降落时，负载先着地，慢慢绳索收缩最后无人机着地；还可以节省高度方向尺寸，这样在无人机起飞和降落时就不会因为下方云台的尺寸而受到影响，同时绳索较之铁链，具有重量轻和价格便宜的优点。

进一步的，主体结构采用尼龙材料PA6加工，并且在俯仰轴处不用安装轴承，利用塑料和刚的自润性来减小摩擦。考虑到要使结构紧凑，质量轻。

附图说明

图1为云台主体结构主视图；

图2为云台主体结构左视图；

图3为云台主体结构俯视图；

图4为整体结构主视图；

图5为整体结构轴视图；

图6为俯仰支架主视图；

图7为俯仰支架剖视图；

图8为俯仰支架左视图；

图9为水枪挂架示意图；

图10为限位档杆的局部视图；

图11为俯仰轴主视图；

图12为俯仰轴左视图；

附图中：1-电机刹车，3-减速器，6-基座，7-管夹，8-限位挡块，9-交叉滚子轴承，10-俯仰支架，11-相机，12-水枪挂架，13-基座接近开关，14-限位档杆，15-接近开关支座，18-减速器外用法兰，20-水平电机，22-张紧销，23-相机支座，24-限位柱，25-俯仰轴套筒，27-水枪卡箍，29-平垫圈，32-俯仰轴，33-水平轴，34-支撑杆，35-第一感应金属片，36-减速器罩，37-主体结构，38-水枪，39-水带，40-绳索，41-水带快速接口，42-俯仰支架接近开关，44-第二感应金属片，50、俯仰电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1至图12，本发明包括主体结构37、水枪38、水带39、绳索40和水带快速接口41，水枪38与主体结构37固定连接，水枪38的进水口通过水带39与水带快速接口41连接，水带快速接口41通过四根并列设置的绳索40与主体结构37连接，绳索40为高强度纤维绳索。利用高强度纤维制成的承重绳索，将快速接口41与俯仰支架10四角处的吊耳连接，快速接口41的另一端用于与外接水带相连。本发明将负载和工作区分开，这样可以使俯仰轴上的负载减轻，结构做的更紧凑、轻。并且因为俯仰轴上的负载减轻，所以可以使俯仰轴的反应变得更加迅速。用高强度复合纤维将负载吊起来，这样可以做到高度方向空间的灵活利用，减小云台的高度尺寸，当无人机准备起飞时，由于绳索可以伸展和收缩，负载随着无人机的逐渐升高慢慢提升，当无人机降落时，负载先着地，慢慢绳索收缩最后无人机着地。

参照图1至图5，主体结构37采用两自由度设计，包括水平旋转部分和俯仰旋转部分。

参照图1，水平旋转部分包括水平电机20，水平电机20的输出轴垂直于水平面，水平电机20为无刷直流电机，响应迅速，能量密度大，控制精确，水平电机20上设置有电机刹车1，可以长时间使负载维持在设定的位置。水平电机20的外壳通过1减速器外用法兰18和螺钉与减速器套筒连接，水平电机20的输出轴与减速器3键连接，减速器3为谐波减速器，减速器3通过减速器套筒用螺钉与基座6固定连接，减速器3与水平轴33法兰连接，水平轴33通过交叉滚子轴承9与俯仰支架10连接，最终通过电机输出轴将水平电机20的动力输出带动负载水平旋转。负载包括消防水带和消防水带中的水。基座6两侧设置有管夹7，管夹7为圆筒形，管夹7中设置有支撑杆34，支撑杆34为碳纤维空心支撑杆，用于将整个云台与无人机的支撑脚固定。整个俯仰旋转部分通过交叉滚子轴承9与水平旋转的基座6通过螺钉固定，整个俯仰旋转部分通过交叉滚子轴承9与基座6连接，当水平电机旋转时，电机轴先与减速器相连，经减速器减速放大扭矩后，动力通过水平轴33经过交叉滚子轴承9传递给俯仰旋转部分，因为俯仰和水平部分要通过轴承连接，所以选择交叉滚子轴承9，承载力大，交叉滚子轴承9设置在俯仰支架10上端面。

参照图1，在云台水平旋转过程中，为了不让云台旋转角度过大使线缆发生缠绕，以及可以方便的确定初始位置。在基座6上采用机械限位和电子限位，机械限位的角度约为±180°。

参照图10，基座6处的机械限位包括限位挡块8和限位档杆14，限位档杆14固定在基座6下端面，水平电机20俯仰支架10上设置有用于与限位档杆14配合的限位挡块8，限位档杆1、限位挡块8和水平电机20的输出轴位于同一直线上，当俯仰支架10水平旋转接近180°时限位档杆14就会和限位挡块8接触，而使俯仰支架10不能再旋转。分布在基座6上相隔180度方向上有两个基座接近开关13，基座接近开关13为电感式接近开关，基座接近开关13通过接近开关支座15设置在基座6上，两个基座接近开关13所在的直线L1与两个限位挡块8所在的直线L2垂直，且L1和L2的中点相交。对应的在俯仰支架10上有两个第一感应金属片35，接近开关13主要用于确定云台的初始位置。当云台要确定水平旋转的初始位置时，水平电机带动俯仰支架10旋转，当限位档杆14和限位挡块8接触时，电机暂停，随后开始反转当基座接近开关13感应到第一感应金属片35时，基座接近开关13会给控制器一个信号，控制器断开电机电源，电机暂停，随后给电机相反电流使电机反转，当两个基座接近开关13任意一个感应到第一感应金属片35时，说明云台距离水平初始位置的角度为90°，这时由控制器控制水平电机20转动，水平电机20再驱使俯仰支架旋转90°后就到达初始位置。

参照图2、图11和图12，俯仰旋转部分包括俯仰电机50和俯仰支架10，俯仰电机50上设置有电机刹车1，俯仰支架10为一体结构，包括水平支板和并列固定在水平支板下端面的两个竖板，两个竖板上设置有用于穿过俯仰轴32的通孔，俯仰电机50的法兰与俯仰支架10右侧的竖板侧面固定连接，俯仰电机50的输出轴与减速器3键连接，减速器3输出端与俯仰轴32法兰连接，俯仰轴32与水枪挂架12通过键连接，减速器3的作用是减速放大扭矩，俯仰轴32穿过俯仰支架10上两个竖版的通孔，安装时将键安装在俯仰轴32上的键槽上，两个竖板的通孔中均设置有用于定位水枪挂架12的俯仰轴套筒25，俯仰轴32穿过俯仰轴套筒25和水枪挂架12上部，然后俯仰轴从右端带着键槽捅到左边，水枪38与水枪挂架12下端固定连接，水枪挂架12上通过水枪卡箍27通过螺栓和平垫圈29连接有水枪38。俯仰电机50为无刷直流电机，俯仰电机50的电机法兰与减速器罩36通过螺钉连接，减速器通过减速器罩36用螺钉与俯仰支架10连接，在俯仰轴32自由端设置有相机支座23，相机支座23通过张紧销22固定相机11或图像传感器或温度传感器，俯仰电机50的布置方向和水枪喷口在同一水平面。俯仰支架10的水平支板上设置有通孔，绳索40一端通过通孔固定在俯仰支架10上，另一端与水带快速接口41固定连接。

参照图6至图10，和水平旋转一样，在俯仰支架10上也设置机械限位和电子限位，机械限位的角度为±20°，电子限位角度为±15°，俯仰支架10处的机械限位包括两个限位柱24和水枪挂架12，限位柱24固定在俯仰支座10一侧的竖板的内侧面上，限位柱与竖板上的通孔的圆心所在的直线与水平面之间的夹角为20°，当俯仰轴32转动时，水枪挂架12随着转动，当水枪挂架12自初始位置转动20度时，会转到限位柱24位置而被限位柱24卡住，这时俯仰电机50停止工作。两个俯仰支架接近开关42用来限定旋转角度并且确定俯仰运动的初始运动。当水枪挂架12自初始位置转动正负15°时，俯仰支架接近开关42就会感应到位于水枪挂架12上的第二感应金属片44，俯仰支架接近开关42动作，当需要确定俯仰运动的初始位置时，俯仰电机50带动水枪挂架12朝任意方向运动，当两个接近开关中的任意一个感应到两个金属片中的任意一个，俯仰支座10便向相反的位置运动15度就到初始位置。水平轴4和俯仰轴32的一端呈法兰状，水平轴4和俯仰轴32呈法兰状的一端与减速器3法兰连接，其余轴段为通径。

该云台的主体结构采用尼龙材料PA6加工，并且在俯仰轴处不用安装轴承，利用塑料和刚的自润性来减小摩擦。考虑到要使结构紧凑，质量轻，不采用传统的行星减速器而采用谐波减速器，这样可以在保证很大的传动比的情况下可以有很小的重量。

本发明的工作过程如下：将支撑杆34固定在无人机支架上，将消防水带接在水带快速接口41上，无人机升空后，高强度纤维绳索40会因为下方负重的原因逐渐展开，无人机高度继续上升超过高强度纤维绳索的长度后云台开始负重。无人机能将云台带到60米左右的空中，消防高度不在受制于举高车辆的举高度，当无人机到达火灾点的附近后，云台上的相机配合无人机上的传感器开始检测火源点位置。当确定火源点位置后，位于无人机上的控制器对云台发出指令，水平和俯仰的电机开始工作，将消防水枪38对准火源点，位于俯仰轴32端部的摄像头检测喷射点的误差，将结果反馈给无人机控制器，无人机控制器根据反馈通过对电机的控制来控制水枪的喷射角度，使水枪的喷射点始终对谁火源点。

云台有云台控制器，云台的运动主要是靠云台的控制器，无人机主控制器和云台控制器之间用串口连接，云台控制器可以通过串口以MODBUS协议向无人机主控制器发送实时基座和俯仰支架的转速、转向、位置、目标位置、目标转速、实时电流、母线电压和温度等信息；这些信息随后发送给无人机主控制器，无人机主控制器根据接收到的信息，计算出云台的目标转速和目标位置等信息，并将计算结果反馈至云台控制器，云台控制器接收到计算结果后，计算出两个电机的启停时机和转动方向，最终控制两个电机的启停时机和转动方向。

Claims (10)

1.一种消防用无人机云台，其特征在于，包括主体结构(37)、水枪(38)、水带(39)、和水带快速接口(41)，水枪(38)与主体结构(37)固定连接，水枪(38)的进水口通过水带(39)与水带快速接口(41)连接，水带快速接口(41)与主体结构(37)连接，且水带快速接口(41)与主体结构(37)之间的距离可调节，主体结构(37)与无人机连接，主体结构(37)包括带动水枪(38)水平转动的水平旋转部分和带动水枪(38)俯仰运动的俯仰旋转部分。

2.根据权利要求1所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，水平旋转部分包括水平电机(20)和用于固定水平电机(20)的基座(6)，水平电机(20)上设置有用于将负载维持在设定的位置的电机刹车(1)，水平电机(20)的输出轴与水平轴(33)连接，水平轴(33)通过交叉滚子轴承(9)与俯仰支架(10)连接。

3.根据权利要求2所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，基座(6)下端面设置有限位档杆(14)，俯仰支架(10)上端面设置有限位挡块(8)，当俯仰支架(10)水平旋转180°时限位档杆(14)和限位挡块(8)接触，基座(6)上相隔180°方向上有两个基座接近开关(13)，两个基座接近开关(13)所在的直线L1与限位档杆(14)和限位挡块(8)所在的直线L2垂直，且L1和L2的中点相交，俯仰支架(10)上设置有两个第一感应金属片(35)。

4.根据权利要求2所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，水平电机(20)的输出轴与减速器(3)键连接，减速器(3)的输出端与水平轴(33)法兰连接，水平轴(33)的其余轴段为通径，减速器(3)为谐波减速器。

5.根据权利要求2所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，基座(6)两侧设置有管夹(7)，管夹(7)为圆筒形，管夹(7)中设置有支撑杆(34)，支撑杆(34)用于将整个云台与无人机的支撑脚固定，支撑杆(34)为碳纤维空心支撑杆。

6.根据权利要求1所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，俯仰旋转部分包括俯仰电机(50)和俯仰支架(10)，俯仰电机(50)上设置有电机刹车(1)，俯仰电机(50)的输出轴与减速器(3)键连接，减速器(3)的输出端与俯仰轴(32)法兰连接，俯仰轴(32)与水枪挂架(12)通过键连接，俯仰轴(32)呈法兰状的一端与减速器(3)法兰连接，其余轴段为通径，俯仰支架(10)包括水平支板和并列固定在水平支板下端面的两个竖板，两个竖板上设置有用于穿过俯仰轴(32)的通孔，水枪挂架(12)上部设置在两个竖板之间，水枪挂架(12)下端与水枪(38)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，俯仰支架(10)上设置有俯仰支架接近开关(42)和用于限定俯仰轴(32)转动角度的限位柱(24)，限位柱(24)固定在俯仰支座(10)一侧的竖板的内侧面上，水枪挂架(12)上设置有金属片(44)，当水枪挂架(12)自初始位置转动设定角度时，接近开关(42)就会感应到位于水枪挂架(12)上的第二感应金属片(44)，接近开关(42)动作。

8.根据权利要求6所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，俯仰轴(32)自由端设置有相机支座(23)，相机支座(23)上固定设置有相机(11)。

9.根据权利要求1所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，水带快速接口(41)通过绳索(40)与主体结构(37)连接，绳索(40)为高强度纤维绳索。

10.根据权利要求1所述的一种消防用无人机云台，其特征在于，主体结构采用尼龙材料PA6制成。