CN110683006A - 一种基于无人艇的船舶消防系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无人艇的船舶消防系统，其包括两个监测无人艇和评估无人艇，其评估无人艇首先利用两个所述监测无人艇的监测结果对消防效果进行评估，然后所述监测无人艇利用上述消防效果评估结果进行灭火操作，不仅提高了灭火的安全性，而且还可以取得更好的灭火效果。

Description

一种基于无人艇的船舶消防系统
技术领域
本发明涉及船舶消防技术领域，尤其涉及一种基于无人艇的船舶消防系统。
背景技术
水面无人艇，又称为水面机器人，是一种无人操作的水面舰艇。面对高风险的人工作业区域，水面无人艇可以替代人类完成具有危险性的水面作业，并提高水面执行任务的效率。
而且，现有的水面消防艇大都采用人工灭火装置，当遇到严重火情时仍需要消防人员参与指挥，如果对火情不了解或操作不当，则会对消防人员的生命安全造成威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人艇的船舶消防系统，其通过利用无人艇实现火情的监控及灭火，大大提高了安全性。
为实现本发明的发明目的，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种基于无人艇的船舶消防系统，包括两个监测无人艇和评估无人艇，每个所述监测无人艇包括第一船体，所述第一船体上设置有信息采集模块、控制模块、通信模块、电源模块、动力模块以及灭火模块，所述信息采集模块用于采集火焰信息；所述电源模块向所述信息采集模块、控制模块、通信模块、动力模块以及灭火模块供电；所述动力模块驱动所述第一船体运动；所述控制模块用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述评估无人艇包括第二船体，所述第二船体上设置有评估模块，所述控制模块通过所述通信模块通信连接所述评估模块，所述评估模块用于根据两个所述控制模块传输的数据进行消防效果评估；所述控制模块还用于根据所述评估模块的消防效果评估结果控制所述灭火模块工作。
作为上述方案的优选，所述信息采集模块包括安装在在所述第一船体的头部的摄像头，并且所述摄像头通信上设置有用于通信连接所述控制模块第一通信串口。
作为上述方案的优选，所述摄像头的安装高度为0.5m。
作为上述方案的优选，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体的头部的数字罗盘，所述数字罗盘用于获取所述第一船体的轴线与正北方向的夹角，且所述数字罗盘上设置有用于通信连接所述控制模块的第二通信串口。
作为上述方案的优选，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体中部的风向风速测量仪，所述风向风速测量仪用于测量水面的风向和风速，并且所述风向风速测量仪上设置有用于通信连接所述控制模块的第三通信串口。
作为上述方案的优选，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体中部的GPS模块，所述GPS模块用于接收并处理GPS卫星信号、并将经过处理的数据传输至所述控制模块。
作为上述方案的优选，所述灭火模块包括控制电路和水枪，所述控制模块通过所述控制电路连接所述水枪。
作为上述方案的优选，所述通信模块为无线数传模块。
作为上述方案的优选，所述控制模块包括单片机和存储器，所述单片机用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述存储器用于存储所述单片机的处理结果以及所述单片机接收的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明公开的基于无人艇的船舶消防系统，其包括两个监测无人艇和评估无人艇，其评估无人艇首先利用两个所述监测无人艇的监测结果对消防效果进行评估，然后所述监测无人艇利用上述消防效果评估结果进行灭火操作，不仅提高了灭火的安全性，而且还可以取得更好的灭火效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明所述的基于无人艇的船舶消防系统的结构示意图；
图2为图1中监测无人艇的结构示意图；
图3为图2中监测无人艇的各部件的连接示意图；
图4为图1中监测无人艇的角度关系示意图；
图5为夹角μ的具体计算过程示意图；
图6为监测无人艇与火焰距离计算示意图；
其中，图1-图6中的附图标记为：
1、第一船体；2、摄像头；3、数字罗盘；4、风向风速测量仪；5、GPS模块；6、控制模块；7、通信模块；8、灭火模块；9、电源模块；10、动力模块； 11、水枪；12、控制电路；13、监测无人艇；14、评估无人艇。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
如图1所示，本发明公开的基于无人艇的船舶消防系统包括两个监测无人艇13和评估无人艇14。如图2所示，每个所述监测无人艇13包括第一船体1，所述第一船体1上设置有信息采集模块、控制模块6、通信模块7、电源模块9、动力模块10以及灭火模块8，所述信息采集模块用于采集火焰信息；所述电源模块9向所述信息采集模块、控制模块6、通信模块7、动力模块10以及灭火模块8供电；所述动力模块10驱动所述第一船体1运动；所述控制模块6用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述评估无人艇包括14第二船体，所述第二船体上设置有评估模块，所述控制模块6通过所述通信模块7通信连接所述评估模块，所述评估模块用于根据两个所述控制模块6传输的数据进行消防效果评估；所述控制模块6还用于根据所述评估模块的消防效果评估结果控制所述灭火模块8工作。
为了能够探测到火焰，所述信息采集模块包括安装在在所述第一船体1的头部的摄像头2，并且所述摄像头2通信上设置有用于通信连接所述控制模块6 第一通信串口，从而通过所述摄像头2可以采集火焰的视频信号，并通过所述第一通信串口将采集到的火焰视频信号传输至所述控制模块6；而且，所述控制模块6还可以通过所述第一通信串口控制所述摄像头2的旋转与停止，且所述摄像头2的工作电流为+24V，该工作电流由所述电源模块9提供。
具体设置时，所述第一通信串口为RS485串口。
为了确保所述摄像头2具有足够的视野可以探测到火焰，所述摄像头2的安装高度为0.5m。
为了能够获取所述第一船体1与火焰之间的距离，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体1的头部的数字罗盘3，所述数字罗盘3用于获取所述第一船体1的轴线与正北方向的夹角，且所述数字罗盘3上设置有用于通信连接所述控制模块6的第二通信串口，具体工作时，所述数字罗盘3实时测量所述第一船体1对称轴线与正北方向之间的夹角
Figure RE-GDA0002298596360000041
并通过所述第二通信串口将实时监测的夹角信息传输至所述控制模块6，然后所述控制模块6根据上述夹角
Figure RE-GDA0002298596360000042
等即可计算出所述第一船体1与火焰之间的距离。
为了能够实时采集水面的风向与风速，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体1中部的风向风速测量仪4，所述风向风速测量仪4用于测量水面的风向和风速，并且所述风向风速测量仪4上设置有用于通信连接所述控制模块6 的第三通信串口，且所述第三通信串口为RS485串口，且所述风向风速测量仪 4的工作电流为直流+24V，该工作电流由所述电源模块9提供；而且，为了能够更为精确地获取水面的风向和风速，所述风向风速测量仪4的最高点与所述第一船体1上表面之间的距离为1m，以避免其他部件对其测量结果产生影响。
为了能够实时采集所述第一船体1的经度、纬度以及海拔高度等数据，所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体1中部的GPS模块5，所述GPS模块5用于接收并处理GPS卫星信号、并将经过处理的数据传输至所述控制模块 6；具体地，所述GPS模块5包括蘑菇型的GPS天线和信号处理电路，所述GPS 天线用于接收GPS卫星信号，所述信号处理电路用于对所述GPS天线接收的信号进行处理以获取所述第一船体1的经度、纬度以及海拔高度、并将所述第一船体1的经度、纬度以及海拔高度等经过处理的数据传输至所述控制模块6。另外，所述GPS模块5的工作电流的直流+5V，且该工作电流由所述电源模块9 提供。
作为上述方案的优选，所述灭火模块8包括控制电路12和水枪11，所述控制模块6通过所述控制电路12连接所述水枪11，从而使得所述控制模块6通过所述控制电路12就可以控制所述水枪11的开启与关闭。
为了使得所述监测无人艇13具有较大的通信范围，所述通信模块7为无线数传模块，这是由于在可视环境下，所述无线数传模块的通信距离可以达到 2000m，具体工作时，所述通信模块7将所述控制模块6传输的通信数据进行调制与放大，射频信号通过同轴射频电缆输送至通信天线进行发射。
作为上述方案的优选，所述控制模块6包括单片机和存储器，所述单片机用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述存储器用于存储所述单片机的处理结果以及所述单片机接收的信息。
所述基于无人艇的船舶消防系统的工作过程为：
(1)所述摄像头2、所述数字罗盘3、所述风向风速测量仪4以及所述GPS 模块5开始工作；
(2)所述控制模块6通过所述第一通信串口向所述摄像头2发出循环旋转控制指令以控制所述摄像头2匀速循环旋转；
(3)匀速循环旋转的所述摄像头2实时采集火焰的视频图像，并将采集到的视频图像传输至所述控制模块6；
(4)所述控制模块6将所述视频图像转换为图片，然后对转换为的图片进行小波去噪预处理，接着通过图像处理技术提取火焰特征；
(5)当发现存在火焰时，所述控制模块6孔氏所述摄像头2转为扇形往返搜索，并且旋转速度降低；
(6)所述控制模块6判断火焰的中线是否位于图片的中间位置，如果所述控制模块6的判断结果为火焰的中线不位于图片的中间，则重复步骤(4)和步骤(5)，直到火焰的中线位于图片的中间位置；
(7)所述控制模块6获取所述摄像头2相对于所述第一船体1轴线的夹角θ；
(8)所述控制模块6从所述数字罗盘3获取所述第一船体1的轴线相对于正北方向的夹角
Figure RE-GDA0002298596360000051
(9)所述控制模块6利用所述摄像头2相对于所述第一船体1轴线的夹角θ和所述第一船体1对称轴线与正北方向之间的夹角
Figure RE-GDA0002298596360000052
计算摄像头2与正北方向之间的夹角μ，且μ的具体计算过程如图5所示；
(10)所述控制模块6通过所述通信模块7将夹角μ传输至所述评估模块；
(11)所述GPS模块5读取GPS卫星的信息、并经过处理后传输至所述控制模块6，然后通过所述通信模块7将所述第一船体1的经度、纬度以及海拔高度传输至所述控制模块6，然后所述控制模块6通过所述通信模块7传输至所述评估模块。
当所述摄像头2完成火焰的搜寻后，所述监测无人艇13的控制模块6根据两个所述监测无人艇13的所述第一船体1的经度、纬度、海拔高度以及所述摄像头2相对于正北方向的夹角，并采用卡尔曼滤波算法消除误差，最终利用数学计算推导公式计算出两个所述监测无人艇13的所述第一船体1与火焰之间的距离。
具体计算时，考虑到实际应用中，忽略地球的曲面影响，使用简化运算方法，将以经、纬度表示的球坐标系转换为三角直角坐标系，然后利用平面几何的方式进行求解，详细的计算过程为：
设：如图6所示，Xa、Ya、Za为三维直角坐标下A点的坐标，Xb、Yb、Zb为三维直角坐标下B点的坐标，Ha为A点的海拔高度，Hb为B点的海拔高度，则：
Xa＝(R+Ha)×cosAw×cosAj；
Ya＝(R+Ha)×cosAw×sinAj；
Za＝(R+Ha)×sin(Aw)；
Xb＝(R+Hb)×cosBw×cosBj；
Yb＝(R+Hb)×cosBw×sinBj；
Zb＝(R+Hb)×sin(Bw)；
则可以得到：ΔX＝Xa-Xb，ΔY＝Ya-Yb，ΔZ＝Za-Zb；
求出三个坐标轴方向的差值后，再使用勾股定理就可以求出A、B两点之间的距离，即：
假设A点固定于原点，则：
(1)当B点在第一象限时，则
Figure RE-GDA0002298596360000062
(2)当B点在第二象限时，则
Figure RE-GDA0002298596360000063
(3)当B点在第三象限或第四象限时，则
Figure RE-GDA0002298596360000064
同理，可以求出∠ABB′的大小，再结合η1和η2，得到∠CAB和∠ABC，利用正弦定理即可求出距离AC和BC。
每个所述监测无人艇13的控制模块6获取水面的风向信息，然后，计算风向与所述摄像头2之间的夹角；然后，两个所述监测无人艇13的控制模块6 将其风向与其摄像头2之间的夹角传输至所述评估模块；然后，所述评估模块比较两个所述监测无人艇13的风向与其摄像头2之间夹角的大小，接着所述评估模块向风向与其摄像头2之间夹角小的监测无人艇13的控制模块6传输评估结果，然后该监测无人艇13的控制模块6通过控制电路12启动该监测无人艇13的水枪11进行灭火；而且，进行灭火时，风向与其摄像头2之间夹角小的监测无人艇13的所述控制模块6通过所述控制电路12控制所述水枪11 的喷嘴的方位与所述摄像头2的方向一致，且所述控制模块6还可以根据所述风向风速测量仪4的测量结果实时修正所述水枪11喷嘴的俯仰角；另外，风向与其摄像头2之间夹角大的监测无人艇13通过其摄像头2实时监测火焰的变化，并将监测结果实时传输至风向与其摄像头2之间夹角小的监测无人艇13，以便风向与其摄像头2之间夹角小的监测无人艇13可以实时了解灭火效果；如果风向与其摄像头2之间夹角大的监测无人艇13监测到火焰没有发生明显的变化，则风向与其摄像头2之间夹角小的监测无人艇13的控制模块6左右微调高压水枪11喷嘴的方位角和俯仰角以便于更好地灭火；同时风向与其摄像头2之间夹角大的监测无人艇13继续监测，直至火焰消失。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：包括两个监测无人艇和评估无人艇，每个所述监测无人艇包括第一船体，所述第一船体上设置有信息采集模块、控制模块、通信模块、电源模块、动力模块以及灭火模块，所述信息采集模块用于采集火焰信息；所述电源模块向所述信息采集模块、控制模块、通信模块、动力模块以及灭火模块供电；所述动力模块驱动所述第一船体运动；所述控制模块用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述评估无人艇包括第二船体，所述第二船体上设置有评估模块，所述控制模块通过所述通信模块通信连接所述评估模块，所述评估模块用于根据两个所述控制模块传输的数据进行消防效果评估；所述控制模块还用于根据所述评估模块的消防效果评估结果控制所述灭火模块工作。
2.根据权利要求1所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述信息采集模块包括安装在在所述第一船体的头部的摄像头，并且所述摄像头通信上设置有用于通信连接所述控制模块第一通信串口。
3.根据权利要求2所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述摄像头的安装高度为0.5m。
4.根据权利要求2所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体的头部的数字罗盘，所述数字罗盘用于获取所述第一船体的轴线与正北方向的夹角，且所述数字罗盘上设置有用于通信连接所述控制模块的第二通信串口。
5.根据权利要求4所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体中部的风向风速测量仪，所述风向风速测量仪用于测量水面的风向和风速，并且所述风向风速测量仪上设置有用于通信连接所述控制模块的第三通信串口。
6.根据权利要求5所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述信息采集模块还包括安装在所述第一船体中部的GPS模块，所述GPS模块用于接收并处理GPS卫星信号、并将经过处理的数据传输至所述控制模块。
7.根据权利要求1所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述灭火模块包括控制电路和水枪，所述控制模块通过所述控制电路连接所述水枪。
8.根据权利要求1所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述通信模块为无线数传模块。
9.根据权利要求1-8任何一项所述的基于无人艇的船舶消防系统，其特征在于：所述控制模块包括单片机和存储器，所述单片机用于接收所述信息采集模块采集的信息、并对接收的信息进行处理；所述存储器用于存储所述单片机的处理结果以及所述单片机接收的信息。
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