CN108241349B - 消防无人机集群系统及消防方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了消防无人机集群系统及消防方法，任务地面站通过空中自组网通信链路分别与火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，无人机地面站通过地‑空数传通信链路分别与火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，火情监视/定位无人机子群通过空中自组网通信链路分别与灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连。本发明通过空中自组网通信链路和地‑空数传通信链路，实现控制指令和火情监视信息与各无人机子群的传输与共享，整个系统智能化程度高，工作效率高，能够快速高效地完成消防任务。

Description

消防无人机集群系统及消防方法
技术领域
本发明涉及无人机消防技术领域，尤其涉及消防无人机集群系统及消防方法。
背景技术
当前，我国消防部队面临的灭火救援形势越来越严峻，尤其是随着城市建设的日益发展，高层建筑越来越多，处理火情的难度也日益加大，给消防带来了极大的不便。现有灭火技术通常为通过消防云梯及消防水枪进行灭火，然而受自身条件的限制，有时灭火效果不甚理想。随着无人机技术的发展，现已有将无人机运用于消防灭火的实践，在指挥中心的统一指挥控制下，通过无人机对火源进行侦察，指挥中心根据火情信息，给灭火无人机发出灭火指令，进行消防灭火。由于无人机之间缺乏信息交互，融合程度低，灭火效率较为低下，没有发挥出无人机消防更大的优势。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供消防无人机集群系统及消防方法。
为实现上述目的，本发明提供一种消防无人机集群系统，包括任务地面站、无人机地面站、火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群；
所述任务地面站通过空中自组网通信链路分别与所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述任务地面站用于根据火灾任务及环境制定各类型无人机子群的出动方案，并接收各类型无人机子群的反馈数据调整各类型无人机子群的出动方案；
所述无人机地面站通过地-空数传通信链路分别与所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述无人机地面站用于全程监控各类型无人机子群的状态，在紧急情况下完成故障无人机的召回；
所述火情监视/定位无人机子群通过空中自组网通信链路分别与所述灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述火情监视/定位无人机子群用于获取火情信息、定位火源位置及评估灭火效果，将火情信息和火源位置分别发送至所述任务地面站、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群；所述灭火弹投放无人机子群根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行灭火，所述特种救援无人机子群根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行救援。
作为本发明的进一步改进，所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群以敞篷卡车平台集中运输、放飞及回收存放。
作为本发明的进一步改进，所述火情监视/定位无人机子群包括一个火情监视/定位无人机子群首和多个火情监视/定位无人机子群成员，所述火情监视/定位无人机子群首和火情监视/定位无人机子群成员上搭载有侦察任务载荷，所述侦察任务载荷包括激光测距仪、角度测量仪和红外探测热成像系统，根据所述激光测距仪和角度测量仪的协同无源定位获取火源位置，根据所述红外探测热成像系统获取火情信息；所述火情监视/定位无人机子群首将火情信息和火源位置分别发送至所述任务地面站、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群。
作为本发明的进一步改进，所述火情监视/定位无人机子群首还具有综合分析探测信息，评估灭火效果的功能，向所述任务地面站和灭火弹投放无人机子群反馈灭火评估结果。
作为本发明的进一步改进，所述灭火弹投放无人机子群包括一个灭火弹投放无人机子群首和多个灭火弹投放无人机子群成员，所述灭火弹投放无人机子群首和灭火弹投放无人机子群成员上搭载有投弹任务载荷，所述投弹任务载荷包括微型摄像头、投射器和灭火弹。
作为本发明的进一步改进，所述灭火弹投放无人机子群首将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置转化为控制指令，发送给各灭火弹投放无人机子群成员，为各灭火弹投放无人机子群成员分配灭火任务。
作为本发明的进一步改进，所述特种救援无人机子群包括一个特种救援无人机子群首和多个特种救援无人机子群成员，所述特种救援无人机子群首和特种救援无人机子群成员上搭载有搜救任务载荷，所述搜救任务载荷包括红外探测器、语音提示器和警示灯。
作为本发明的进一步改进，所述特种救援无人机子群首将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置进行处理，统一协调各特种救援无人机子群成员共同完成救援任务，并将来自各特种救援无人机子群成员的信息收集汇总，统一发送给任务地面站。
作为本发明的进一步改进，所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群或特种救援无人机子群的无人机平台由协同控制器、飞行平台、动力装置、飞控系统、电气系统和自组网模块构成。
本发明还提供一种基于消防无人机集群系统的消防方法，包括：
步骤1、任务地面站受领/分析任务，任务包括火源方位、数量和火势大小，并将信息传递给火情监视/定位无人机子群，放飞第一波次的火情监视/定位无人机子群；
步骤2、任务地面站收到火灾现场的图像信息后，制定后续火情监视/定位无人机子群出动规模数量，以及各无人机在火灾现场的精确空间位置构型，进而完成实时的飞行路径规划，并随即放飞后续火情监视/定位无人机子群；
步骤3、任务地面站根据火情监视/定位无人机子群传来的具体火情信息，制定第一批次灭火弹投放无人机子群的出动数量和投弹方案；当存在人员被困的情况时，制定第一批次特种救援无人机子群的出动数量和搜救方案；
步骤4、灭火弹投放无人机子群根据任务指令前往火点，根据接收到的来自任务地面站的指令和火情监视/定位无人机子群的火源位置，进行投弹灭火；特种救援无人机子群根据地面站的指令和监视/定位无人机子群提供的火情信息展开现场救援；
步骤5、火情监视/定位系统的无人机子群对灭火救援效果进行评估，将未灭火源的信息和未救援成功的人员信息传递给地面站，然后重复进行上述灭火救援步骤，直至火源全部被灭，人员全被救出；
步骤6、返航。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、智能化程度高：在消防灭火的过程中，无人机集群可以自动完成精确定位、投射灭火弹、评估灭火效果等一系列的消防任务，对外界的依赖程度较低。
2、消防效率高：火情监视/定位无人机子群和灭火弹投放无人机子群、特种救援无人机子群之间通过自组网相互传递信息，及时精确定位火源位置，反馈灭火救援信息，缩短了消防时间，减少了不必要的损失。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的消防无人机集群系统的框架图；
图2为图1中火情监视/定位无人机子群图；
图3为图1中灭火弹投放无人机子群图；
图4为图1中特种救援无人机子群图；
图5为本发明一种实施例公开的无人机构成图；
图6为本发明一种实施例公开的火情监视/定位无人机的任务载荷图；
图7为本发明一种实施例公开的灭火弹投放无人机的任务载荷图；
图8为本发明一种实施例公开的特种救援无人机的任务载荷图；
图9为本发明一种实施例公开的消防无人机集群系统的消防方法流程图。
图中：
10、任务地面站；20、无人机地面站；30、火情监视/定位无人机子群；31、火情监视/定位无人机子群首；32、火情监视/定位无人机子群成员；40、灭火弹投放无人机子群；41、灭火弹投放无人机子群首；42、灭火弹投放无人机子群成员；50、特种救援无人机子群；51、特种救援无人机子群首；52、特种救援无人机子群成员；60、无人机构成；61、协同控制器；62、飞行平台；63、动力装置；64、飞控系统；65、电气系统；66、自组网模块；67、任务载荷；70、侦察任务载荷；71、激光测距仪；72、角度测量仪；73、红外探测热成像系统；80、投弹任务载荷；81、微型摄像头；82、投射器；83、灭火弹；90、搜救任务载荷；91、红外探测器；92、语音提示器；93、警示灯。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明针对消防问题，以无人机平台为基础，提出了一种消防无人机集群系统及消防方法。整个系统智能化程度高，工作效率高，能够快速高效地完成消防任务。在接到消防任务时，任务地面站根据任务基本情况派出监视/定位无人机、灭火弹投放无人机和特种救援无人机，在监视/定位无人机子群的精确定位下，灭火弹投放无人机完成消防灭火的任务，特种救援无人机完成救援任务。整个过程中，监视/定位无人机子群始终和灭火弹投放无人机子群、特种救援无人机子群保持信息实时交互，将火情信息和被困人员信息实时不断地反馈给灭火弹投放无人机和特种救援无人机，保证了高效、快速地执行任务。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种消防无人机集群系统，包括任务地面站10、无人机地面站20、火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50；其中：任务地面站10通过空中自组网通信链路分别与火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50相连，无人机地面站20通过地-空数传通信链路分别与火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50相连，火情监视/定位无人机子群30通过空中自组网通信链路分别与灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50相连。火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50以敞篷卡车平台集中运输、放飞及回收存放，通过空中自组网通信链路和地-空数传通信链路，实现控制指令和火情监视信息的传输与共享。
本发明的任务地面站10用于加载3D数字地图，根据火灾报警确定火源基本方位、数量，火势基本大小和火场环境。地面站任务规划软件根据任务及环境，制定各种类型无人机出动方案。指挥员则通过对火势的预判，包括蔓延趋势、潜在威胁、人员/财产损失评估，进一步修订无人机出动方案，并向无人机传输待装订的相关任务参数和出动指令。在灭火扑救过程中，任务地面站10动态规划火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40、特种救援无人机子群50的出动时序、路径及任务执行点位置，并针对火情变化进行无人机的调整与调度。
本发明的无人机地面站20全程监控各型无人机的状态，在紧急情况下完成故障无人机的召回。
本发明的火情监视/定位无人机子群30用于获取火情信息、定位火源位置及评估灭火效果，将火情信息和火源位置分别发送至任务地面站10、灭火弹投放无人机子群40和特种救援无人机子群50；灭火弹投放无人机子群40根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行灭火，特种救援无人机子群50根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行救援。具体的：
本发明的火情监视/定位无人机子群30负责对火源进行精确定位，为灭火弹投放无人机提供火源的精确位置信息，并对灭火效果进行监视与评估。火情监视/定位无人机子群30由3架以上火情监视/定位无人机组成，其中一架为子群首，其余的为成员，通过协同无源定位，获取着火点的位置坐标，由子群首发送给地面站和灭火弹投放无人机。同时下传的监视信息还包括火场全方位的图像信息和重点部位的局部高清画面。火情监视/定位无人机子群在性能上的突出特点是留空时间长，满足火场不间断监视的任务需求。
本发明的灭火弹投放无人机子群40由若干架灭火弹投放无人机组成，其中一架为子群首，其余的为成员。用于向火源发射灭火弹，任务载荷相对较大，除灭火弹外，还需挂载投弹载具，包括微型摄像头和投射器，前者对火源进行近距离的精准定位，后者执行灭火弹抛投动作。
本发明的特种救援无人机子群50用于在必须的情况下进入着火的建筑物内部，由一架子群首和若干架成员组成，将火场内部的可见光/红外图像实时传输至任务地面站10和消防指挥信息系统，并进行被困人员/伤员的搜寻与辅助救援，通过语音、警示灯光等手段向被困人员提供自救的提示与警示，引导被困人员通过较为安全的路径脱离火灾现场，或者引导消防人员找到被困人员并向其指示最佳退出线路。
如图2所示，本发明的火情监视/定位无人机子群30包括：火情监视/定位无人机子群首31、若干火情监视/定位无人机成员32。在工作方式上，如火情监视/定位无人机子群首31、火情监视/定位无人机成员32的定位方式，由火情监视/定位无人机子群首31确定火源和火情监视/定位无人机成员32之间的夹角θ12，由火情监视/定位无人机成员32确定火源和火情监视/定位无人机子群首31之间的夹角θ21，两机共同确定两机间的距离d12，以此来确定一个火源存在的平面。火情监视/定位无人机子群首31将系统内的所有信息进计算，转化为火源的位置信息，并发送给灭火弹投放无人机子群40和任务地面站10。火情监视/定位无人机子群首31还具有综合分析探测信息，评估灭火效果的功能，通过组网模块向灭火弹投放无人机子群和地面站发送火源位置信息，反馈灭火评估结果。
如图3所示，本发明的灭火弹投放无人机子群40包括：灭火弹投放无人机子群首41、若干灭火弹投放无人机子群成员42。灭火弹投放无人机子群首41和灭火弹投放无人机子群成员42共同完成消防灭火任务，灭火弹投放无人机子群首41负责为成员分配任务，接收来自任务地面站10的指令和火情监视/定位无人机子群30传来的火源信息。具体的：灭火弹投放无人机子群首41将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置转化为控制指令，发送给各灭火弹投放无人机子群成员，为各灭火弹投放无人机子群成员分配灭火任务。
如图4所示，本发明的特种救援无人机子群50包括：特种救援无人机子群首51、若干特种救援无人机子群成员52。特种救援无人机子群首51接收来任务自地面站10的指令和火情监视/定位无人机子群30传来的火源信息，通过语音提示、信号灯引导等方式，协同成员引导被困人员通过较为安全的路径脱离火灾现场，或者引导消防人员找到被困人员并向其指示最佳退出线路。具体的：特种救援无人机子群首51将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置进行处理，统一协调各特种救援无人机子群成员共同完成救援任务，并将来自各特种救援无人机子群成员的信息收集汇总，统一发送给任务地面站。
如图5所示，本发明火情监视/定位无人机子群30、灭火弹投放无人机子群40、特种救援无人机子群50中的子群首或成员的无人机构成60均为协同控制器61、飞行平台62、动力装置63、飞控系统64、电气系统65、自组网模块66与任务载荷67，不同类型的无人机因执行不同的任务，需要挂载不同种类的任务载荷。飞行平台由旋翼无人机提供，为无人机的其他组成部分提供平台；协同控制器向无人机的各个分系统发送指令，控制各分系统的运行，为无人机飞行提供避障等信息；动力装置为无人机的飞行提供动力；飞控系统控制无人机的飞行；电气系统为无人机的用电设备分配电压，提供电能。
如图6所示，火情监视/定位无人机子群30的任务载荷为侦察任务载荷70，侦察任务载荷70用于对火源进行精确定位，获取火情信息，并监视灭火效果，形成反馈信息，发送给地面站和其它无人机集群；包括：激光测距仪71，用于测量所需距离；角度测量仪72，用于测量所需角度，根据距离与角度的关系，确定火源的准确方位；红外探测热成像系统73用于感知探测火源和被困人员，为消防救援提供信息。
如图7所示，灭火弹投放无人机子群40的任务载荷为投弹任务载荷80，包括：微型摄像头81，对火源进行近距离定位，制导投放灭火弹；投射器82，用于精准投放灭火弹；灭火弹83，用于消防灭火。
如图8所示，特种救援无人机子群50的任务载荷为搜救任务载荷90，包括：红外探测器91，探测生命体征，寻找被困人员；语音提示器92，对被困人员提供救援提示语音；警示灯93，引导被困人员脱离火场或者引导消防人员寻找被困人员。
如图9所示，本发明提供一种基于消防无人机集群系统的消防方法，包括：
步骤1、任务地面站受领/分析任务，任务包括火源基本方位、数量和火势基本大小，并将信息传递给火情监视/定位无人机子群，放飞第一波次的火情监视/定位无人机子群，同时出动搭载消防无人机集群的车载平台；
步骤2、任务地面站收到火灾现场的图像信息后，制定后续火情监视/定位无人机子群出动规模数量，以及各无人机在火灾现场的精确空间位置构型，进而完成实时的飞行路径规划，并随即放飞后续火情监视/定位无人机子群；后续火情监视/定位无人机子群一般在车载平台到达火场后放飞，紧急情况下也可在行进过程中放飞；
步骤3、任务地面站根据火情监视/定位无人机子群传来的具体火情信息，制定第一批次灭火弹投放无人机子群的出动数量和投弹方案；当存在人员被困的情况时，制定第一批次特种救援无人机子群的出动数量和搜救方案；
步骤4、灭火弹投放无人机子群根据任务指令前往火点，根据接收到的来自任务地面站的指令和火情监视/定位无人机子群的火源位置，进行投弹灭火；特种救援无人机子群根据地面站的指令和监视/定位无人机子群提供的火情信息展开现场救援；
步骤5、火情监视/定位系统的无人机子群对灭火救援效果进行评估，将未灭火源的信息和未救援成功的人员信息传递给地面站，然后重复进行上述灭火救援步骤，直至火源全部被灭，人员全被救出；
步骤6、返航。
本发明智能化程度高：在消防灭火的过程中，无人机集群可以自动完成精确定位、投射灭火弹、评估灭火效果等一系列的消防任务，对外界的依赖程度较低；本发明消防效率高：火情监视/定位无人机子群和灭火弹投放无人机子群、特种救援无人机子群之间通过自组网相互传递信息，及时精确定位火源位置，反馈灭火救援信息，缩短了消防时间，减少了不必要的损失。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种消防无人机集群系统，其特征在于，包括任务地面站、无人机地面站、火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群；
所述任务地面站通过空中自组网通信链路分别与所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述任务地面站用于根据火灾任务及环境制定各类型无人机子群的出动方案，并接收各类型无人机子群的反馈数据调整各类型无人机子群的出动方案；
所述无人机地面站通过地-空数传通信链路分别与所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述无人机地面站用于全程监控各类型无人机子群的状态，在紧急情况下完成故障无人机的召回；
所述火情监视/定位无人机子群通过空中自组网通信链路分别与所述灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群相连，所述火情监视/定位无人机子群用于获取火情信息、定位火源位置及评估灭火效果，将火情信息和火源位置分别发送至所述任务地面站、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群；所述灭火弹投放无人机子群根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行灭火，所述特种救援无人机子群根据任务地面站的指令、火情信息和火源位置进行救援；
所述火情监视/定位无人机子群包括一个火情监视/定位无人机子群首和多个火情监视/定位无人机子群成员，所述火情监视/定位无人机子群首和火情监视/定位无人机子群成员上搭载有侦察任务载荷，所述侦察任务载荷包括激光测距仪、角度测量仪和红外探测热成像系统，根据所述激光测距仪和角度测量仪的协同无源定位获取火源位置，根据所述红外探测热成像系统获取火情信息；所述火情监视/定位无人机子群首将火情信息和火源位置分别发送至所述任务地面站、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群；所述火情监视/定位无人机子群首还具有综合分析探测信息，评估灭火效果的功能，向所述任务地面站和灭火弹投放无人机子群反馈灭火评估结果；
所述灭火弹投放无人机子群包括一个灭火弹投放无人机子群首和多个灭火弹投放无人机子群成员，所述灭火弹投放无人机子群首和灭火弹投放无人机子群成员上搭载有投弹任务载荷，所述投弹任务载荷包括微型摄像头、投射器和灭火弹；所述灭火弹投放无人机子群首将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置转化为控制指令，发送给各灭火弹投放无人机子群成员，为各灭火弹投放无人机子群成员分配灭火任务；
所述特种救援无人机子群包括一个特种救援无人机子群首和多个特种救援无人机子群成员，所述特种救援无人机子群首和特种救援无人机子群成员上搭载有搜救任务载荷，所述搜救任务载荷包括红外探测器、语音提示器和警示灯；所述特种救援无人机子群首将接收到任务地面站的控制指令以及来自火情监视/定位无人机子群的火情信息和火源位置进行处理，统一协调各特种救援无人机子群成员共同完成救援任务，并将来自各特种救援无人机子群成员的信息收集汇总，统一发送给任务地面站。
2.如权利要求1所述的消防无人机集群系统，其特征在于，所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群和特种救援无人机子群以敞篷卡车平台集中运输、放飞及回收存放。
3.如权利要求1所述的消防无人机集群系统，其特征在于，所述火情监视/定位无人机子群、灭火弹投放无人机子群或特种救援无人机子群的无人机平台由协同控制器、飞行平台、动力装置、飞控系统、电气系统和自组网模块构成。
4.一种基于如权利要求1所述的消防无人机集群系统的消防方法，其特征在于，包括：
步骤1、任务地面站受领/分析任务，任务包括火源方位、数量和火势大小，并将信息传递给火情监视/定位无人机子群，放飞第一波次的火情监视/定位无人机子群；
步骤2、任务地面站收到火灾现场的图像信息后，制定后续火情监视/定位无人机子群出动规模数量，以及各无人机在火灾现场的精确空间位置构型，进而完成实时的飞行路径规划，并随即放飞后续火情监视/定位无人机子群；
步骤3、任务地面站根据火情监视/定位无人机子群传来的具体火情信息，制定第一批次灭火弹投放无人机子群的出动数量和投弹方案；当存在人员被困的情况时，制定第一批次特种救援无人机子群的出动数量和搜救方案；
步骤4、灭火弹投放无人机子群根据任务指令前往火点，根据接收到的来自任务地面站的指令和火情监视/定位无人机子群的火源位置，进行投弹灭火；特种救援无人机子群根据地面站的指令和监视/定位无人机子群提供的火情信息展开现场救援；
步骤5、火情监视/定位系统的无人机子群对灭火救援效果进行评估，将未灭火源的信息和未救援成功的人员信息传递给地面站，然后重复进行上述灭火救援步骤，直至火源全部被灭，人员全被救出；
步骤6、返航。
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