CN110302488A - 自主消防无人机系统及消防方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自主消防无人机系统及消防方法，包括：地面站和消防无人机；地面站和消防无人机通过地‑空数传通信链路，实现控制指令和火情图像信息的传输与共享；地面站，用于向消防无人机发送任务指令，实时监控消防无人机的状态，并根据消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；消防无人机，用于收集火情图像信息，进行灭火，以及消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障。本发明的无人机在没有指挥中心统一指挥的情况下仍可自主应对火灾。

Description

自主消防无人机系统及消防方法

技术领域

本发明涉及无人机消防技术领域，具体涉及一种智能化程度高的自主消防无人机系统及消防方法。

背景技术

随着社会经济的发展，火灾发生率也在逐年上升，尤其是森林火灾在扑灭后，由于地势以及环境原因，人员无法进入勘察，消灭复燃的火灾。同时，随着城市建设的日益发展，高层建筑越来越多，建筑物与建筑物之间扑救火灾的难度也日益加大，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、灭火剂以及消防水枪等进行灭火，然而受自身条件的限制，其灭火效能较低，且灭火人员受伤牺牲的风险很高。随着无人机技术以及人工智能技术的发展，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。但该方法存在对卫星导航依赖性过强、与地面站通信不稳定、对火灾变化临时反应能力弱等问题。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种智能化程度高的自主消防无人机系统及消防方法，让无人机在没有指挥中心统一指挥的情况下仍可自主应对火灾。

本发明公开了一种自主消防无人机系统，包括：地面站和消防无人机；

所述地面站和消防无人机通过地-空数传通信链路，实现控制指令和火情图像信息的传输与共享；

所述地面站，用于向所述消防无人机发送任务指令，实时监控所述消防无人机的状态，并根据所述消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；

所述消防无人机，用于收集火情图像信息，进行灭火，以及消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障。

作为本发明的进一步改进，所述地面站包括：

地面监控模块，用于向所述消防无人机发送任务指令、实时监控所述消防无人机的状态，并根据所述消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；

地面图传模块，所述地面图传模块连接所述地面监控模块和消防无人机，用于将所述消防无人机收集的火情图像信息回传至所述地面监控模块；

地面无线通信模块，所述地面无线通信模块连接所述地面监控模块和消防无人机，用于将任务指令发送所述消防无人机，并将所述消防无人机的飞行姿态信息回传至所述地面监控模块。

作为本发明的进一步改进，所述地面站还包括：

任务规划模块，所述任务规划模块与所述地面监控模块相连，用于消防任务的初始规划和消防无人机的初始航迹规划；

消防物资管理模块，所述消防物资管理模块与所述地面监控模块相连，用于统筹调度消防物资，根据灭火需求实时调拨与补充消防物资，并装载在消防无人机上。

作为本发明的进一步改进，所述消防无人机包括：

飞控模块，所述飞控模块通过无人机通信模块与所述地面站相连，用于消防无人机的运动和姿态控制；

任务处理器，所述任务处理器通过无人机通信模块与所述地面站相连，所述任务处理器与所述飞控模块相连；用于消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障；以及，系统资源的调度与功能的执行；以及，消防任务完成情况评估，并为后续的决策提供依据；

感知模块，所述感知模块与所述任务处理器相连，用于收集火情以及火灾环境的火情图像信息，并将所述火情图像信息传送给任务处理器和无人机图传模块，经所述无人机图传模块传送至所述地面站；

任务载荷，所述任务载荷与所述任务处理器相连，所述任务载荷为执行消防和救援任务而挂载的设备。

作为本发明的进一步改进，所述感知模块，还用于识别出火情图像信息中的被困人员和火苗，并将识别结果传送给任务处理器和地面站。

作为本发明的进一步改进，所述感知模块包括可见光传感器、红外传感器、全彩夜视仪和云台；

作为本发明的进一步改进，所述任务载荷消防弹/剂、语音提示器、警示灯和投射器。

作为本发明的进一步改进，所述任务处理器嵌入到无人机平台上，使得无人机能够独立运行，自主进行消防任务，不依赖于地面站和操作员。

本发明还公开了一种自主消防无人机系统的消防方法，包括：

步骤1、地面站受领/分析任务，并将任务信息传递给消防无人机后进行放飞；所述任务包括火源方位、数量和火势大小；

步骤2、消防无人机升空后，按照地面站反馈的信息飞往火灾区域；

步骤3、消防无人机抵达火灾区域后，收集火情以及火灾环境的火情图像信息；消防无人机根据收集的飞行态势信息与搭载的初始航迹规划，实时在线规划航迹，并按照动态规划航迹进行火情和被困人员搜索；在整个搜索期间，图像识别算法与避障算法时刻运行，共同确保消防任务的顺利执行；

步骤4、当自主消防无人机发现火情时，启动灭火程序，转至步骤5；当自主消防无人机发现被困人员时，启动搜救引导程序，转至步骤7；

步骤5、消防无人机飞往着火地点，悬停在合适高度，通过投射器发射灭火弹；

步骤6、消防无人机对灭火结果进行评估，如果火已灭，还剩余消防弹/剂，且电量续航足够条件下，继续前往火灾区域的其他位置进行火情搜索，返回至步骤4；如果火已灭，但已无消防弹/剂或者电量续航不足，则转至步骤8；如果火未灭，且还剩余消防弹/剂，则转至步骤5；如果火未灭，且无消防弹/剂或电量不足，则转至步骤8，并将火情位置信息反馈给地面站；

步骤7、消防无人飞往被困人员位置上空，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；待救援任务完成后，如果电量续航充足，则继续执行消防任务，转至步骤4；如果电量续航不足，则转至步骤8；

步骤8、返航。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、自主化程度高：本发明将任务处理器嵌入到无人机平台上，在消防灭火的过程中，无人机可以自动完成火情和被困人员搜索、投射灭火弹、评估灭火效果以及消防救援等一系列的消防任务，对外界的依赖程度低；

2、消防效率高：消防无人机利用自身机载设备，自主完成消防任务，而不需要等待地面站指令，而延误最佳扑灭时机。发现火情就立即扑救，时效性强，消防效率更高。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的自主消防无人机系统的框架图；

图2为图1中消防无人机任务处理器的构成图；

图3为图1中消防无人机感知模块的构成图；

图4为图1中消防无人机任务载荷的构成图；

图5为本发明一种实施例公开的消防无人机自主执行消防任务的流程图。

1、地面站；11、地面监控模块；12、地面图传模块；13、地面无线通信模块；14、任务规划模块；15、消防物资管理模块；2、消防无人机；21、飞控模块；22、无人机图传模块；23、无人机无线通信模块；24、任务处理器；240、规划模块；241、执行模块；242、评估模块；25、感知模块；250、可见光传感器；251、红外传感器；252、全彩夜视仪；253、云台；26、任务载荷；260、消防弹/剂；261、语音提示器；262、警示灯；263、投射器。

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。

本发明以无人机平台为基础，提出了一种自主消防无人机系统及消防方法，整个系统自主化程度高，工作效率高，能够独立自主且快速高效地完成消防任务。在接到消防任务时，地面站根据火灾报警情况，将火灾区域位置坐标发送给消防无人机，并放飞消防无人机；消防无人机依托自身的功能模块，独立自主完成消防任务。当消防无人机无法处理且发出警报求援信号后，由地面站辅助指导消防无人机执行消防任务，其余情况下均由消防无人机独立自主进行。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种自主消防无人机系统，包括：地面站1和消防无人机2；地面站1和消防无人机2通过地-空数传通信链路，实现控制指令和火情图像信息等的传输与共享。

本发明的地面站1包括地面监控模块11、地面图传模块12、地面无线通信模块13、任务规划模块14和消防物资管理模块15；其中：

地面监控模块11，用于向消防无人机发送任务指令、实时监控消防无人机的状态，并根据消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；

地面图传模块12，用于将消防无人机收集的火情图像信息回传至地面监控模块；

地面无线通信模块13，用于将任务指令发送消防无人机，并将消防无人机的飞行姿态信息回传至地面监控模块。

任务规划模块14，用于消防任务的初始规划和消防无人机的初始航迹规划；

消防物资管理模块15，用于统筹调度消防物资，根据灭火需求实时调拨与补充消防物资，并装载在消防无人机上。

工作时，本发明的地面站1在领受任务后，对任务进行分析，通过加载3D数字地图，根据火灾报警确定火源基本方位和区域范围，并通过地面图传模块12将火灾环境和地理环境图像信息传送给消防无人机2。任务规划模块14负责无人机初始路径规划以及在无人机无法自主完成任务时为无人机实时任务规划。消防物资管理模块15负责给消防无人机装载消防物资。

本发明的消防无人机2包括飞控模块21、无人机图传模块22、无人机无线通信模块23、任务处理器24、感知模块25和任务载荷26；消防无人机2能够在不依赖地面站的指导下独立自主地完成消防任务，无线通信模块23收到地面站1的起飞指令后，将指令传送给飞控模块21和任务处理器24。其中：

飞控模块21，通过无人机无线通信模块23与地面站相连；用于消防无人机的运动和姿态控制，是无人机自主执行消防任务的基础；

任务处理器24，通过无人机无线通信模块23与地面站相连；用于消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障；以及，系统资源的调度与功能的执行；以及，消防任务完成情况评估，并为后续的决策提供依据；

感知模块25，用于收集火情以及火灾环境的火情图像信息，并将火情图像信息传送给任务处理器和无人机图传模块，经无人机图传模块22传送至地面站；同时，感知模块自身还具备图像识别功能，即能够识别出感知信息中可能的被困人员和火苗，并将该信息传送给任务处理器；

任务载荷26，任务载荷为执行消防和救援任务而挂载的设备。

如图2所示，本发明的任务处理器24包括：规划模块240、执行模块241、评估模块242。规划模块240负责消防无人机实时任务与路径规划；执行模块241负责决策指令生成与执行；评估模块240负责任务完成情况评估，并为后续决策提供决策依据。

如图3所示，本发明的感知模块25包括：可见光传感器250、红外传感器251、全彩夜视仪252和云台253。可见光传感器250主要用于白天无人机对火灾地理环境的侦察以及被困人员搜索；红外传感器251主要用于火情搜索，确定火源地理位置信息；全彩夜视仪252主要用于夜间侦察。上述三类传感器的控制是通过控制云台253来实现。

如图4所示，本发明的任务载荷26包括：消防弹/剂280、语音提示器281、警示灯282、投射器283。投射器283，用于精准投放灭火弹；消防弹/剂280，用于消防灭火；语音提示器281，对被困人员提供救援提示语音；警示灯282，引导被困人员脱离火场或者引导消防人员寻找被困人员。

进一步，本发明的任务处理器24嵌入到无人机平台上，使得无人机能够独立运行，自主进行消防任务，不依赖于地面站和操作员。

如图5所示，本发明提供一种自主消防无人机系统的消防方法，包括：

S1、地面站1受领/分析任务，任务包括火源方位、数量和火势大小等；通过地面图传模块12将基本火灾图像信息传递给消防无人机2，为其提供火源的基本初始位置信息以及火灾区域地理地貌信息。任务规划模块14为无人机规划出飞往火灾区域路径以及消防任务详单，消防物资管理模块15按照消防任务详单为无人机装备消防物资，地面监控模块11通过地面无线通信模块13给无人机发送起飞指令。

S2、消防无人机2在收到起飞指令后，起飞升空，按照初始规划路线飞往火灾区域。

S3、消防无人机2抵达火灾区域后，任务处理器24通过控制云台253控制传感器，获取火灾区域态势信息。消防无人机2依据收集的态势信息与规划模块240，实时在线规划航迹，并按照动态规划航迹进行火情和被困人员搜索。在整个搜索期间，图像识别算法与避障算法时刻运行，共同确保消防任务的顺利执行。

S4、当消防无人机2发现火情时，启动灭火程序，转至S5；当消防无人机2发现被困人员时，启动搜救引导程序，转至S6。

S5、消防无人机2飞往着火地点，悬停在合适高度，通过投射器263发射灭火弹260。

S6、消防无人机2在评估模块242的支撑下，对灭火结果进行评估，如果火已灭，还剩余消防弹/剂260且电量续航足够条件下，继续飞往火灾区域的其他位置进行火情搜索，返回至S4。如果火已灭，但已无消防弹/剂260，或者电量续航不足，则转至S8。如果火未灭，且还剩余消防弹/剂260，则转至S5。如果火未灭，无消防弹/剂260或者电量续航不足，则转至S8，并将火情位置信息反馈给地面站。

S7、消防无人机2飞往被困人员位置上空，通过语音提示器261向被困人员提供自救的提示与警示，利用警示灯262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。待救援任务完成后，如果电量续航充足，则继续执行消防任务，转至S4。如果电量续航不足，则转至S8。

S8、返航。

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 (9)

1.一种自主消防无人机系统，其特征在于，包括：地面站和消防无人机；

所述地面站和消防无人机通过地-空数传通信链路，实现控制指令和火情图像信息的传输与共享；

所述地面站，用于向所述消防无人机发送任务指令，实时监控所述消防无人机的状态，并根据所述消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；

所述消防无人机，用于收集火情图像信息，进行灭火，以及消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障。

2.如权利要求1所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述地面站包括：

地面监控模块，用于向所述消防无人机发送任务指令、实时监控所述消防无人机的状态，并根据所述消防无人机回传的火情图像信息与飞行姿态信息进一步掌握火情；

地面图传模块，所述地面图传模块连接所述地面监控模块和消防无人机，用于将所述消防无人机收集的火情图像信息回传至所述地面监控模块；

地面无线通信模块，所述地面无线通信模块连接所述地面监控模块和消防无人机，用于将任务指令发送所述消防无人机，并将所述消防无人机的飞行姿态信息回传至所述地面监控模块。

3.如权利要求2所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述地面站还包括：

任务规划模块，所述任务规划模块与所述地面监控模块相连，用于消防任务的初始规划和消防无人机的初始航迹规划；

消防物资管理模块，所述消防物资管理模块与所述地面监控模块相连，用于统筹调度消防物资，根据灭火需求实时调拨与补充消防物资，并装载在消防无人机上。

4.如权利要求1所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述消防无人机包括：

飞控模块，所述飞控模块通过无人机通信模块与所述地面站相连，用于消防无人机的运动和姿态控制；

任务处理器，所述任务处理器通过无人机通信模块与所述地面站相连，所述任务处理器与所述飞控模块相连；用于消防任务的实时动态规划以及航迹的动态规划，实现自主完成航迹规划和避障；以及，系统资源的调度与功能的执行；以及，消防任务完成情况评估，并为后续的决策提供依据；

感知模块，所述感知模块与所述任务处理器相连，用于收集火情以及火灾环境的火情图像信息，并将所述火情图像信息传送给任务处理器和无人机图传模块，经所述无人机图传模块传送至所述地面站；

任务载荷，所述任务载荷与所述任务处理器相连，所述任务载荷为执行消防和救援任务而挂载的设备。

5.如权利要求4所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述感知模块，还用于识别出火情图像信息中的被困人员和火苗，并将识别结果传送给任务处理器和地面站。

6.如权利要求5所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述感知模块包括可见光传感器、红外传感器、全彩夜视仪和云台。

7.如权利要求4所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述任务载荷消防弹/剂、语音提示器、警示灯和投射器。

8.如权利要求4所述的自主消防无人机系统，其特征在于，所述任务处理器嵌入到无人机平台上，使得无人机能够独立运行，自主进行消防任务，不依赖于地面站和操作员。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的自主消防无人机系统的消防方法，其特征在于，包括：

步骤1、地面站受领/分析任务，并将任务信息传递给消防无人机后进行放飞；所述任务包括火源方位、数量和火势大小；

步骤2、消防无人机升空后，按照地面站反馈的信息飞往火灾区域；

步骤3、消防无人机抵达火灾区域后，收集火情以及火灾环境的火情图像信息；消防无人机根据收集的飞行态势信息与搭载的初始航迹规划，实时在线规划航迹，并按照动态规划航迹进行火情和被困人员搜索；在整个搜索期间，图像识别算法与避障算法时刻运行，共同确保消防任务的顺利执行；

步骤4、当自主消防无人机发现火情时，启动灭火程序，转至步骤5；当自主消防无人机发现被困人员时，启动搜救引导程序，转至步骤7；

步骤5、消防无人机飞往着火地点，悬停在合适高度，通过投射器发射灭火弹；

步骤6、消防无人机对灭火结果进行评估，如果火已灭，还剩余消防弹/剂，且电量续航足够条件下，继续前往火灾区域的其他位置进行火情搜索，返回至步骤4；如果火已灭，但已无消防弹/剂或者电量续航不足，则转至步骤8；如果火未灭，且还剩余消防弹/剂，则转至步骤5；如果火未灭，且无消防弹/剂或电量不足，则转至步骤8，并将火情位置信息反馈给地面站；

步骤7、消防无人飞往被困人员位置上空，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；待救援任务完成后，如果电量续航充足，则继续执行消防任务，转至步骤4；如果电量续航不足，则转至步骤8；

步骤8、返航。