CN109350882B - 一种基于飞轮电池的高层消防无人机 - Google Patents

Abstract

本发明为基于飞轮电池的高层消防无人机。该无人机机身、起落架等结构采用铝合金材料，四个旋翼等结构件使用中温固化的环氧树脂。采用飞轮电池和蓄电池协同供电方式。彩色数字摄像头和红外热成像仪集成安装在无人机头部中央，外侧有玻璃罩。其带有GPS全球定位系统，发生火灾时，消防部门给无人机输入火灾地点坐标，无人机能以最快速度、并精确到达火灾现场附近；到达火灾现场后，由专业的消防队员通过无人机前下方的彩色数字摄像头，第一时间远程查看火灾大小以及被困人员位置，规划救援预案。一方面，无人机组带的灭火燃料可以发射到火势集中的地方，短时间内快速控制火势；另一方面，消防人员可以根据被困人员位置，用最短的时间救援。

Description

一种基于飞轮电池的高层消防无人机

技术领域

本发明涉及一种消防灭火设备，具体涉及一种高层消防无人机。

背景技术

当高楼层发生火灾时，由于其火势蔓延途径多、速度快，且安全疏散困难，严重威胁群众人身财产安全。消防水枪喷射距离有限，消防员也难以迅速直接进入火灾现场。现有的普通消防无人机动力能源系统主要有锂电池和氢气燃料电池两种。锂电池续航里程维持20min左右，且寿命短；而氢燃料电池的安全性低，且不能高效存储，两者都无法满足无人机大规模使用和循环作业的要求。针对高层建筑灭火难的问题，设计出一种基于飞轮电池的高层消防无人机。飞轮电池安全可靠性强，能量密度和功率密度高，保证了该无人机可以迅速反应，起飞到达高层着火点。其自身携带的灭火燃料，可以迅速灭火，保证生命和财产安全。

发明内容

本发明，设计了一种携带灭火胶囊和彩色数字摄像头/红外热成像仪的高层消防无人机，能精确定位，快速反应。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于飞轮电池的高层消防无人机，包括动力能源系统、灭火装置和应急保护装置，飞机机体、数据链系统、发射回收系统、飞控系统。

所述动力能源系统由动力源、传动机构、电池管理系统系统组成。

所述动力源由一块飞轮电池，一块蓄电池协同供电，所述飞轮电池纵向平置在机体内部，通过铆钉固定到无人机地板上。蓄电池与飞轮电池并联，为无人机上电气设备供电。

所述传动机构由电动机/发电机、变压器、变速器/减速器、螺旋桨组成。其中，螺旋桨有四个，对称分布于无人机的四个角。

所述飞轮电池由飞轮、轴、轴承、电动机/发电机、真空容器和电力电子变换器组成；

所述轴承采用主动磁悬浮轴承和推力轴承。主动磁悬浮轴承置于轴两侧末端，推力轴承置于两磁悬浮轴承右侧1/3处。所述飞轮采用碳纤维材料，位于推力轴承左侧，轴中央，通过平键和定位轴肩固定到轴上。所述真空容器内部设有压力传感器，实时监测真空容器内的气压，能最大程度降低飞轮电池的空阻损耗，保证其效率。

所述灭火装置由灭火胶囊、灭火胶囊发射筒、真空室、气体发生剂组成。通过简单支架固定在无人机地板外侧，与无人机起落架互不干涉。所述灭火胶囊采用微胶囊技术，其表面是具有网状结构的聚硅氧烷有机膜；其内有湿度传感器，检测灭火胶囊湿度，保证干粉灭火的有效性。

所述灭火胶囊嵌在发射筒内部通过卡扣锁紧。后部是真空室，里面有气体发生剂。气体发生剂由蓄电池提供高压，通过电子设备引燃。

所述应急保护装置安装在无人机尾部，主要由减速伞、伞舱与弹射系统、机械开伞系统、减速伞控制器与供电系统四部分构成。

所述开伞机构由舵机、U型杠杆、传动销、锁销及舵机固定架构成。

所述机械开伞系统由舵机、舵机座、连杆、锁销组成,安装于伞舱顶部。

所述伞舱由伞舱主体、底部弹射弹簧与弹簧压板组成。

所述减速伞控制器与供电系统由低压电池、接收机、压力传感器组成。

所述装置还包括彩色数字摄像头和红外热成像仪。彩色数字摄像头安装在无人机正前方，藏于机体头部内侧，外侧有玻璃罩保护装置。用于传输火灾现场高清画面。红外热成像仪，集成在彩色数字摄像头内部，通过成像的热像图来进一步确定被困人员位置。

所述装置还包括GPS系统、测风仪、测温仪和大喇叭。GPS系统用以实现火灾地点和无人机自身地精确定位；测风仪和测温仪安装在无人机起落架内侧，主要监测火灾现场的风速、风向和温度情况，帮助消防员预测火势的发展状况；消防员可通过大喇叭向受困人员和周围围观人员传达救援信息和危险信息。

所述飞机机体，包括纵梁、隔框和起落架等结构采用铝合金材料，四个旋翼及旋翼保护支架、蒙皮、机身的龙骨等结构件均大量使用中温固化的环氧树脂预浸料916，采用热压罐方法成型。

所述起落架直接连接到无人机地板外侧的加强筋上。其内侧有测温仪和测风仪。

所述数据链系统采用数传/导航兼备系统。由机载设备和地面设备构成。数据率为600bps，调制方式为ASK。

专业消防员通过地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息，并在接收后经一定的延迟后向地面台发回复信息，实现对无人机远程的精准控制。

所述发射回收系统采用旋翼垂直起降的方式，能最快实现无人机最快反应和空中悬停。

所述飞控系统控制策略为模糊PID控制和滑模控制协同控制；主要模块包括主控制器模块、传感器模块、导航模块、电机控制模块、通信模块及数据采集模块。

所述模糊PID控制器采用闭环控制。通过分析采集的无人机飞行误差数据及误差变化情况，及时调整PID的三个参数(比例、积分、微分)，实现无人机位置控制。

所述滑模控制器分为内环和外环两部分。将内环控制设为姿态控制器，外环控制设为高度控制器。姿态控制包括滚转、俯仰和偏航三个方向的控制以及悬停控制。

所述主控制器模块采用ATMEGA2560-16AU为系统主控芯片；选择六轴惯性测量单元MPU 6000和MS5611分别为气压计和惯性测量单元。

有益效果：

1.该高层消防无人机抛去传统供能方式，采用飞轮电池提供动力，弥补了锂电池和氢气燃料电池续航里程不足，易爆炸，储存困难的问题。飞轮电池储能密度可达100-200W·h/kg，功率密度可达5000-10000W/kg；工作效率可达85％-95％；工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求；使用寿命长：不受重复深度放电的影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上；可在短时间内实现充放电(分钟级)。可实现无人机的快速启动，且维护保养成本较低，对环境没有损害。

2.灭火胶囊和应急保护装置。将干粉灭火剂进行化学处理后同包覆有高分子树脂的红磷阻燃剂共同放置到灭火胶囊中。利用硅油对干粉颗粒进行表面处理,在其表面形成具有网状结构的聚硅氧烷有机膜，起到防潮、防结块与防腐蚀的作用。而微胶囊化后的红磷的吸湿性大大降低,与聚合物树脂之间的相容性也有所改善,而且难以自燃。

考虑到火灾现场环境情况复杂，为避免无人机发生故障坠落造成不必要的伤亡，在无人机尾部增加了应急保护装置。当紧急或故障状态时,减速伞控制器接收到传感器采集的飞行器高度和无人机加速度突变数值，伞舱舱盖开锁，伞舱底部预压紧弹簧顶开舱盖,减速伞释放。

附图说明

图1是本发明提供的无人机实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的无人机实施例的俯视示意图；

图3是本发明飞轮电池结构示意图；

图4是本发明应急保护装置结构示意图；

图5是本发明灭火装置结构示意图；

图6是本发明传动系统结构示意图；

图1-6的符号表示为：01、无人机，02、无人机机体，03、无人机旋翼装置，04、彩色数字摄像头/红外热成像仪，05、起落架，06、灭火胶囊，07、灭火胶囊发射筒，08、伞舱舱盖，09、径向磁力轴承，10、真空室，11、飞轮，12、飞轮电池，13、发动/电动机，14、飞轮电池外壳，15、保护轴承，16、传感器，17、径向传感器，18、传动轴，19、连接轴，20、舵机，21、舵机固定支架，22、U形杠杆，23、压紧弹簧，24、传动销，25、减速伞，26、锁销，27、无人机应急保护装置，28、弹簧固定支座，29、气体发生剂，30、温度传感器，31、真空室，32、湿度传感器,33、灭火装置

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

参见图1，是本发明实施例的结构示意图，同时参见图2，是图1的俯视示意图。所述无人机01主要包括无人机机体02、旋翼装置03、彩色数字摄像头/红外热成像仪04、起落架05以及灭火装置33。所述无人机机身的龙骨、起落架05等结构采用铝合金材料，旋翼及各种天线罩、护板、蒙皮等结构件均大量使用中温固化的环氧树脂预浸料916，采用热压罐方法成型。

所述无人机01为单一旋翼结构的无人机，包括4个旋翼装置03，相对于无人机01的中心两两中心对称。所述旋翼装置03包括旋翼、转轴、带动所述旋翼转动的电动机以及旋翼保护罩。所述无人机01通过控制4个旋翼装置03的转速控制无人机01的飞行姿态，实现飞机的高度变化，位置变化以及悬停等，在本发明实施例中不再赘述。

所述旋翼保护罩由与旋翼平齐的圆环及两个圆环支撑组成，二者均为铝合金材料。保护旋翼不被现场掉落的危险物砸到。考虑到火灾现场空气中会还有大量的气体颗粒、烟尘等等会在旋翼的表面进行累积，影响旋翼的运转。在圆环的内侧设有断续的三个开口，两两开口呈120度旋转正分布。电动机产生的吹风，会通过开口吹向旋翼，避免烟尘累积。

图3是飞轮电池12的结构示意图。所述飞轮电池12包括径向磁力轴承09，真空室10，飞轮11，发动/电动机13，飞轮电池外壳14，保护轴承15，压力传感器16，径向传感器17，传动轴18。所述径向磁力轴承09和保护轴承15均采用磁悬浮轴承。所述发动/电动机13采用永磁无刷电机。考虑到无人机进行消防救援时，有悬停、加速、返航等各种工况，会对高速旋转的转子稳定性有一定影响。此无人机采用一种可修改的比例谐振控制器用于调节线圈电流，可在全速范围内改善飞轮转子系统的稳定性。

所述无人机01的底部设置有灭火装置33，如图4所示。所述灭火装置33为内有空腔的中空结构，主要由灭火胶囊06、真空室31和气体发生剂29构成。所述灭火胶囊06由半圆壳头和圆柱体身构成，通过卡扣嵌在灭火装置33外壳上。灭火胶囊06内部有湿度传感器32，实时检测灭火胶囊湿度，保证干粉灭火的有效性。

为方便装载灭火胶囊06，除卡扣外，所述灭火装置33内还设置包括机械手。机械手夹持装置由1/3圆铁环、松紧弹簧、压力感应器构成，位于灭火装置33前端。未放置灭火胶囊06时，机械手弹簧处于压缩状态。灭火胶囊06到位以后，位于压力传感器感应到压力，弹簧释放，圆铁环加紧灭火胶囊06。

当无人机01到达指定高度，消防员远程控制调整机身形态，灭火胶囊06对准火源，消防工作人员远程发出命令，由飞轮电池12提供电压经过内部电子设备处理产生点火信号，引燃灭火弹尾部气体发生剂29，产生大量气体，从而产生高压推动灭火胶囊发射.发射到火区的灭火胶囊06半圆壳头部有碰撞感应器，在到达火区的碰撞瞬间会随及爆炸，里面的干粉灭火剂和红磷阻燃剂均匀释放，覆盖火源，隔绝空气，达到灭火目的。灭火装置33一次性携带两枚灭火胶囊06，一次投放完毕后立刻返航。循环作业，在此不再赘述。

所述无人机设有应急保护装置27，部分示意图如图5所示。所述装置由四部分组成，分别是减速伞25、伞舱与弹射系统、机械开伞系统、减速伞控制器与供电系统。压紧弹簧23固定在弹簧固定支座28上，减速伞25释放前，弹簧23处于压缩状态。舵机20固定在舵机固定支架21上，构成伞舱与弹射系统。U形杠杆22，传动销24，锁销26，连接轴19组成机械开伞系统。减速伞控制器与供电系统由低压电池、接收机、排线组成,其作用是给机械开伞系统提供开伞信号和工作电压。

开伞机构由舵机20、U型杠杆22、传动销24、锁销26及舵机固定架21构成。当伞舱关闭时,锁销26插入锁孔,将舱盖08固定。开伞时,舵机20转动,带动U型杠杆22的一端向上移动。由于U型杠杆22的另一端与传动销24固定,在杠杆原理的作用下,带动传动销24向下转过一定角度,锁销26在传动销24的拉动下向外拉出,离开锁孔,自动开锁。

当紧急或故障状态时,减速伞控制器接收到传感器采集的飞行器高度和无人机01加速度突变数值，控制器发出开伞信号，舵机20收到减速伞控制器发来的信号,开始旋转,带动传动销24一起向下旋转至一定角度,将锁销26向外拉开，伞舱舱盖08开锁。压紧弹簧23释放顶开舱盖,减速伞25释放。

所述无人机01由飞轮电池12和蓄电池协同供电。飞轮电池为无人机01提供飞行动力，蓄电池为无人机01上的电器设备提供电源。图6是本发明动力传动系统示意图。飞轮电池12与发电机13通过离合器联动。无人机01启动后，离合器闭合，飞轮电池带动发电机旋转，实现机械能到电能的转换。产生电能后，通过变压器和电子电力转换装置升降压到适合无人机01飞行状态的数值。接着通过给与四个旋翼相连的小电动机供电，带动变速器的转动。变速器与螺旋桨直连，实现旋翼的快速旋转，无人机01起飞。这种方式我们称之为软启动。当飞轮电池由于特殊原因不能满足启动要求时，可直接通过蓄电池进行硬启动。将蓄电池直接连接到电子电力转换装置上，使电动机带动螺旋桨旋翼旋转。此种方式作为备选。

无人机悬停喷射灭火胶囊06或减速降落时，可断开飞轮电池的连接，让转子空转，用蓄电池进行供电，节省电能，提高电池效率。当无人机执行完任务后，为避免飞轮电池剩余的动能损失掉。将飞轮电池的动能，经过发电机转换成电能存储到蓄电池中。为无人机上的电器元件提供电能。

在本发明中，无人机01还包括数据链系统、发射回收系统、飞行控制系统、远程控制系统、远程图像传输系统、GPS全球定位系统等。

所述无人机01采用目前常用的数传/导航兼备系统，数据率为600bps，调制方式为ASK。地面台以广播形式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息。经过处理器编译后，产生命令，控制无人机01的飞行控制和灭火装置33控制远程控制系统用433MHz无线电频率对无人机进行控制作业。远程图像传输系统基于1.4GHz无线电频率对无人机端的图像进行传输至地面端。

所述无人机采用垂直起降的方式，不需要专门的跑道。可随时起飞，随时停降，能节约时间，最快反应。非常适用于需要空中悬停或有特殊要求的场合。

飞控系统控制策略为模糊PID控制和滑模控制协同控制。滑模控制器分为内环和外环两部分。将内环控制设为姿态控制器，外环控制设为高度控制器。姿态控制包括滚转、俯仰和偏航三个方向的控制以及悬停控制。主要模块包括主控制器模块、传感器模块、导航模块、电机控制模块、通信模块及数据采集模块。电机控制模块主要由功率控制器PCU控制，与变速器实现双控，实现无人机的精准控制。

所述灭火胶囊发射筒07上设置有温度传感器301、302，考虑到无人机01在使用过程中，灭火发射筒07的更靠近火场区域，因此所述温度传感器301、302设置在灭火胶囊发射筒的底部和上部，实时测量无人机体温度，防止无人机01因高温损坏；灭火胶囊06内部有湿度传感器32，在真空室内31内有压力传感器162，用来实时监测灭火材料的湿度大小和真空室的气压大小，保证灭火材料和灭火装置的有效性。在飞轮电池12真空室10内和传动轴18上分别有压力传感器161和径向传感器17，用来监测飞轮电池12工作环境的优劣和发动/电动机13的径向位置，保证飞轮电池工作的高效性。

当发生火灾时，地面专业消防工作人员通过输入火灾地点经纬坐标，无人机01通过GPS全球定位系统快速飞达火灾现场。消防员通过控制系统控制无人机01的飞行速度、方向以及飞行姿态，同时通过无人机01前方彩色数字摄像头/红外热成像仪04和远程图像传输系统观察火灾大小以及被困人员位置。一方面，消防员远程控制发射无人机组带的灭火胶囊到火势集中的地方，短时间内快速控制火势；另一方面，消防人员可以通过无人机摄像头找到被困人员的位置，选定最优方案，用最短的时间救援。

由上述实施例描述可见，本发明实施例提供的高层消防无人机，主要包括动力能源系统、灭火装置33和应急保护装置27。所述无人机01动力能源系统由飞轮电池12和蓄电池协同供电；所述无人机01包括采集火场红外图像的彩色数字摄像头/红外热成像仪04，且所述彩色数字摄像头/红外热成像仪04设置于所述无人机01的前部。在灭火过程中，彩色数字摄像头/红外热成像仪04能够采集火场区域的红外图像，该红外图像能够精确描述火场区域的温度分布，不会受到火场环境中的烟雾等影响，帮助消防员精确判断火场的灭火位置。在所述无人机01的灭火胶囊发射筒07的上下两侧外壁上还设置多个温度传感器301、302，测量机体温度和火场温度。

上述可知，本实施例的高层消防无人机启动迅速、可靠性高，安全，适合用于高层消防。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于飞轮电池的高层消防无人机，其特征在于，包括包含飞轮电池的动力能源系统、灭火装置和应急保护装置；

所述动力能源系统由动力源、传动机构、电池管理系统组成，所述动力源由飞轮电池、蓄电池协同供电，对应有软启动和硬启动两种启动方式，所述软启动方式为飞轮电池产生电能，通过变压器和电子电力转换装置进行电压调节，为四个与旋翼相连的小电动机供电，进而带动变速器转动，实现旋翼的快速旋转，所述硬启动方式为蓄电池直接连接到电子电力转换装置上，使电动机带动螺旋桨旋翼旋转，此种启动方式作为备选；

所述飞轮电池由飞轮、轴、轴承、电动机/发电机、真空容器和电力电子变换器组成，所述飞轮采用碳纤维材料，位于推力轴承左侧，轴中央，通过平键和定位轴肩固定，所述轴承采用主动磁悬浮轴承和推力轴承，主动磁悬浮轴承置于轴两侧末端，推力轴承置于两磁悬浮轴承右侧1/3处，所述真空容器内部设有压力传感器，实时监测真空容器内的气压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述灭火装置由灭火胶囊、灭火胶囊发射筒、真空室、气体发生剂、卡扣和机械手组成，所述灭火胶囊由半圆壳头和圆柱体身构成，通过卡扣嵌在灭火装置外壳上，所述灭火胶囊半圆壳头内有碰撞感应器，在到达火区的碰撞瞬间会随及爆炸，干粉灭火剂和红磷阻燃剂均匀释放，覆盖火源，进行灭火。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述灭火胶囊采用微胶囊技术，其表面是具有网状结构的聚硅氧烷有机膜，其内有湿度传感器，检测灭火胶囊湿度，保证灭火的有效性，所述灭火胶囊嵌在发射筒内部通过卡扣锁紧，所述真空室位于灭火胶囊后部，所述气体发生剂位于装置尾部，所述机械手夹持装置由1/3圆铁环、松紧弹簧、压力感应器构成，位于灭火装置前端。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应急保护装置安装在无人机尾部，主要由减速伞、伞舱与弹射系统、机械开伞系统、减速伞控制器与供电系统四部分构成，所述应急保护装置在减速伞控制器接收到传感器采集的飞行器高度和无人机加速度突变数值时才会开启。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述伞舱由伞舱主体、底部弹射弹簧与弹簧压板组成，所述机械开伞系统由舵机、舵机座、连杆、锁销、U型杠杆、传动销组成，安装于伞舱顶部，所述减速伞控制器与供电系统由低压电池、接收机、压力传感器组成。

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