CN111688930B - 一种可快速补充水原料的森林灭火无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可快速补充水原料的森林灭火无人机，包括机身机构、飞行机构、灭火机构、补充水原料机构和自动控制机构，机身机构包括支撑杆、负重杆、连接块和载重箱；飞行机构包括飞行板、两个倾转杆和倾转电机，倾转杆的底端铰接支撑杆的顶端；灭火机构和补充水原料机构均安装在载重箱内，灭火机构包括连接管、喷头、水泵和吸水管；补充水源料机构包括水箱、电磁滚轮、横板、竖板、导轨和限位板，导轨安装在载重箱的底板上，电磁滚轮在导轨内移动，水箱一侧设有密封盖，用于连接吸水管。与现有技术相比，本发明可以携带更大体重的水原料同时无人机高速稳定的飞行；通过水箱快速替换解决了现有无人机无法高效扑火作业的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其是涉及一种可快速补充水原料的森林灭火无人机。
背景技术
火灾对森林有严重危害。一场火灾，在很短时间内，就能把长期培育起来的大片森林烧光。未被烧死的林木由于生长衰退，容易造成病虫的次生灾害；火灾还破坏了森林环境，引起了森林发生树种更替现象。森林经过焚烧后，许多树木变为站杆、倒木和病腐木，这又大大增加了发生森林火灾的危害性，可能引起更大的火灾。火灾会烧毁地被物，使土壤裸露，降低森林保持水土、涵养水源的作用，造成水土流失、河流泛滥，甚至引发山洪。同时由于森林环境遭到了破坏，失去了调节气候的作用，会直接影响农业稳产高产。林火还会烧毁林下经济作物，烧死和驱走林内珍贵鸟兽。火灾严重影响林内动植物资源及林副产品，不利于山区经济的发展。火灾所引发的森林生态系统的破坏，需要经过几十年或更长时间才能恢复。此外，火灾会产生大量烟雾，污染空气环境，危害人们身体健康。
扑灭森林火灾时，都会花费巨大的财力和人力，而且有些还造成消防人员的牺牲。发生森林大火后，除了地面人员的扑火作业，常用直升机下方悬挂灭火剂的方式进行高空扑火作业，这样扑火的方式，不能及时、快速补充灭火剂，单次扑火时间较长，频率较低，不能及时扑灭火灾。对于在扑灭作业过程中的突发大火，难以应对，还消耗巨大的人力、物力。
现在，无人机技术日趋成熟，民用无人机应用领域日益广泛，包括电力巡检、抢险救灾、资源勘探、环境监测、自然灾害监测与评估、森林病虫害防护和监测等。但是由于无人机上难以携带大量的水原料，并且难以进行水原料得补充，因此无人机大多中只能用于监测和监控，鲜少用于直接扑火。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可快速补充水原料的森林灭火无人机，解决了现有无人机无法高效扑火作业的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可快速补充水原料的森林灭火无人机，包括机身机构、飞行机构、灭火机构、补充水原料机构和自动控制机构，其中，
所述的机身机构包括支撑杆、负重杆、连接块和载重箱，所述负重杆两端分别连接竖直设置的支撑杆，同时负重杆的中间部下端通过连接块固定载重箱；
所述的飞行机构包括飞行板、两个倾转杆和倾转电机，每个倾转杆的顶端设有旋翼单元，倾转杆的底端铰接支撑杆的顶端，所述的飞行板安装在两个倾转杆之间，所述的倾转电机连接倾转杆，并且倾转电机安装在铰接处；
所述的灭火机构和补充水原料机构均安装在载重箱内，所述的灭火机构包括连接管、喷头、水泵和吸水管，所述的喷头设置在载重箱箱体外侧，喷头依次连接箱体内侧的连接管、水泵和吸水管；所述的补充水源料机构包括水箱、电磁滚轮、横板、竖板、导轨和限位板，所述的电磁滚轮安装在横板的底部，所述的导轨安装在载重箱的底板上，所述的电磁滚轮在导轨内移动，所述的横板上设有限位板，所述水箱通过限位板固定在横板上，所述的横板一侧固定有竖板，该竖板同时为载重箱箱体的开口盖，竖板与箱体通过电磁锁连接；所述的水箱一侧设有密封盖，用于连接吸水管；
所述的自动控制机构安装在飞行板内，用于对飞行机构、灭火机构、补充水原料机构进行控制。
进一步的，所述的旋翼单元包括两个桨叶、旋翼电机和旋翼杆，所述的旋翼杆下端连接倾转杆，上端分别连接两个桨叶，所述的旋翼电机安装在旋翼杆内。
进一步的，所述的支撑杆下端设有降落杆，该降落杆用于接触地面进行缓冲。
进一步的，所述的飞行板上表面设有太阳能电池板。
进一步的，所述的灭火结构中，吸水管采用硬质材料管。
进一步的，所述的水箱一侧设有圆形口，所述的密封盖嵌入圆形口中，密封盖可被吸水管捅破。
进一步的，所述的自动控制机构包括主控模块、SALM智能模块、信号收发模块、远程遥控模块、可旋转的高清相机、电机控制电路和电磁控制电路，所述的可旋转的高清相机连接SALM智能模块和主控模块，所述的远程遥控模块通过信号收发模块连接主控模块，所述的电机控制电路和电磁控制电路也均连接主控模块。
进一步的，所述的可旋转高清相机安装在连接块侧壁上。
进一步的，自动控制机构还包括连接主控模块的热红外摄像机和温度传感器，热红外摄像机安装在连接块侧壁上，所述的温度传感器安装在降落杆的下方。
进一步的，自动控制机构还包括连接主控模块的压力传感器，该压力传感器安装在横板内部。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的飞机机构设置了特有的倾转机翼设计，既可以携带更大体重的水原料，又可以让无人机高速稳定的飞行；本发明还通过灭火机构和补充水原料机构的设计，实现了水箱的快速替换，消防人员可以通过备存水箱和及时替换，解决了现有无人机无法高效扑火作业的问题。
2、飞行板上的太阳能电池板提高了无人机的续航能力。
3、吸水管采用硬质材料管，提高其强度，水箱密封盖中的内置塑料塞可以被采用硬质材料管制造的吸水管捅破，实现水箱的快速替换对接。
4、补充水原料机构的横板上设有多个限位板，确保吸水管和水箱对接时的稳定和有效。
5、自动控制机构包括温度传感器，确保高温时无人机能够及时自行撤离，提高无人机自身的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为旋翼单元的左视示意图。
图3为载重箱的上剖面示意图。
图4为补充水原料机构的示意图。
图5为密封盖和其内置塑料塞的示意图。
图6为控制模块的示意图。
附图标记：1、桨叶，2、旋翼电机，3、飞行板，4、倾转杆，5、太阳能电池板，6、热红外摄像机，7、连接块，8、负重杆，9、倾转电机，10、可旋转的高清相机，11、载重箱，12、支撑杆，13、喷头，14、降落杆，15、温度传感器，16、旋翼杆，17、连接管，18、水泵，19、吸水管，20、水箱，21、红外射线传感器，22、限位板，23、电磁滚轮，24、压力传感器，25、横板，26、导轨，27、竖板，28、密封盖，29、内置塑料塞，30、远程遥控模块，31、信号收发模块，32、SALM智能模块，33、主控模块，34、电磁控制电路，35、电机控制电路，36、水泵电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～6所示，本实施例提供了一种可快速补充水原料的森林灭火无人机，由五部分组成，分别是飞行机构、机身机构、灭火机构、补充水原料机构和自动控制机构。其中具体展开如下：
机身机构包括支撑杆12、降落杆14、负重杆8、连接块7和载重箱11。支撑杆12分布在机身两侧，降落杆14与支撑杆12垂直连接，同样分布在机身两侧；负重杆8位于飞行板3下方；与两侧支撑杆12相连；载重箱11位于负重杆8下方；连接块7用来连接负重杆8和载重箱11。也就是说，负重杆8两端分别连接竖直设置的支撑杆12，同时负重杆8的中间部下端通过连接块7固定载重箱11。
飞行机构包括四个桨叶1、四个旋翼电机2、两个倾转电机9、两个旋翼杆16、两个倾转杆4和飞行板3组成。每个旋翼杆16的上端连接两个桨叶1，旋翼电机2安装在旋翼杆16内部连接桨叶1。旋翼杆16的下端连接倾转杆4。倾转杆4的底端铰接支撑杆12的顶端。飞行板3安装在两个倾转杆4之间。倾转电机9连接倾转杆4，并且倾转电机9安装在铰接处。由此，倾转电机9可以控制倾转杆4带动旋翼杆16发生倾斜，也就是改变无人机的飞行方向。在飞行板3上还分布有太阳能电池板。
灭火机构和补充水原料机构均安装在载重箱11内。灭火机构包括连接管17、喷头13、水泵18和吸水管19。喷头13设置在载重箱11的外面。连接管17、水泵18和吸水管19设置在载重箱11的内部。连接管17一端与喷头13相接，另一端与水泵18相接。吸水管19与水泵18一侧相接。
补充水原料机构包括水箱20、电磁滚轮23、横板25、竖板27、导轨26和限位板22。电磁滚轮23安装在横板25的底部；导轨26安装在载重箱11的底板上，电磁滚轮23在导轨26内移动。横板25上设有限位板22，所述水箱20通过限位板22固定在横板25上。横板25一侧焊接固定有竖板27，该竖板27同时为载重箱11箱体的开口盖，竖板27与箱体通过电磁锁连接。水箱20一侧设有密封盖28，用于连接吸水管19，具体展开为：水箱20外部靠近吸水管19的一侧，设置有圆形口，圆形口被密封盖28封住，密封盖28中设置有内置塑料塞29。吸水管19采用硬质材料管，用于顶出塑料塞29完成和水箱20的对接。
自动控制机构包括主控模块33、SALM(定位与地图构建)智能模块32、信号收发模块31、可旋转的高清相机10、热红外摄像机6、压力传感器24、红外射线传感器21和温度传感器15。信号收发模块31、SALM智能模块32、主控模块33内嵌在飞行板3中。远程遥控模块30在地面人员手中。可旋转的高清相机10和热红外摄像机6设置在连接块7中央。红外射线传感器21在限位板22面向水箱20一侧。压力传感器24内嵌在横板25中。温度传感器15设置在降落杆14底部。以上所述传感器和动作机构都有信号连接到主控模块33，在主控模块33的指令下协调运行。
本实施例可以用来监测森林火情。无人机中的电机控制电路35驱使旋翼电机2使旋翼杆16上的桨叶1转动，驱使倾转电机9使倾转杆4运动到垂直状态，让无人机平稳垂直升起，待到一定高度后，倾转电机9使倾转杆4呈倾斜状，让无人机高速水平飞行，在高空开始探测火情。可旋转的高清相机10与热红外摄像机6将监测的信息传送到远程遥控模块30与主控模块33，当主控模块33判断为火情时，就会驱使电机控制电路35，让水泵电机36开始工作，及时扑灭起火点。待主控模块33确定火势被扑灭后，就会再次启动监测模式。远程遥控模块30在监测模式时，会干预及修正主控模块33的错误判断。
本实施例得具体工作过程为：
在面对森林火灾和复杂的地貌时，可快速补充水原料的森林灭火无人机中的电机控制电路35驱使旋翼电机2使旋翼杆16上的桨叶1转动，驱使倾转电机9使倾转杆4运动到垂直状态，让无人机平稳垂直升起，待到一定高度后，倾转电机9使倾转杆4倾斜一定角度，让无人机高速水平飞行，在火灾上空，开始探查火灾情况与陌生的环境状况。飞行板3表层的太阳能电池板5可以在白天给无人机提供动力支持。可旋转的高清相机10与热红外摄像机6将火灾信息通过信号收发模块31，传回远程遥控模块30。SALM智能模块32在可旋转的高清相机10传来的图像信息中进行地图构建，并自我定位。在地图构建完成后，主控模块33结合可旋转的高清相机10与热红外摄像机6采取到的信息，自主分析最佳灭火点。确定最佳灭火点后，无人机飞行到目标点上空，开始垂直下降，待到温度传感器15探查到无人机底部的温度超过了无人机体表材料的最高温度后，主控模块33会将垂直上升命令传给电机控制电路35，让旋翼电机2加大转速，使无人机逃离高温区域，待到底部温度低于体表材料所能承受的最高温度后，无人机悬停。主控模块33驱使水泵电机36，让水泵18开始通过吸水管19抽水，水经过连接管17来到喷口处，喷口开始喷水。当内嵌在横板25中的压力传感器24感应到水箱20的水被抽完后，主控模块33，就会发出返回地面的信号，无人机会在SLAM智能模块32规划的最优路径开始返航。无人机平稳降落地面后，主控模块33会驱使电磁控制电路34，使电磁滚轮23沿着导轨26往外移动，空的水箱20被消防人员拿掉，再将装满水的水箱20放置在横板25上，压力传感器24感应到水箱20满满的重量后，电磁滚轮23沿着导轨26往内移动，吸水管19撞开密封盖28中的内置塑料塞29，伸入到水箱20内部，为再次灭火做好准备。当在限位板22上的红外射线传感器21探查到水箱20已经移动到合适位置后，主控模块33就会发出起飞的命令，高速飞行到灭火点。当目标点的火势被扑灭后，无人机就会飞去下一个灭火点进行灭火作业。面对由于风向和风势的变化，所引发的突发大火，主控模块33会及时修正最佳灭火点和最佳灭火高度。以上的活动，一旦发生错误，指挥部可通过远程遥控模块30将正确命令传送到信号收发模块31，干预及修正主控模块33的命令。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种可快速补充水原料的森林灭火无人机，其特征在于，包括机身机构、飞行机构、灭火机构、补充水原料机构和自动控制机构，其中，
所述的机身机构包括支撑杆(12)、负重杆(8)、连接块(7)和载重箱(11)，所述负重杆(8)两端分别连接竖直设置的支撑杆(12)，同时负重杆(8)的中间部下端通过连接块(7)固定载重箱(11)；
所述的飞行机构包括飞行板(3)、两个倾转杆(4)和倾转电机(9)，每个倾转杆(4)的顶端设有旋翼单元，倾转杆(4)的底端铰接支撑杆(12)的顶端，所述的飞行板(3)安装在两个倾转杆(4)之间，所述的倾转电机(9)连接倾转杆(4)，并且倾转电机(9)安装在铰接处；
所述的灭火机构和补充水原料机构均安装在载重箱(11)内，所述的灭火机构包括连接管(17)、喷头(13)、水泵(18)和吸水管(19)，所述的喷头(13)设置在载重箱(11)箱体外侧，喷头(13)依次连接箱体内侧的连接管(17)、水泵(18)和吸水管(19)；所述的补充水原 料机构包括水箱(20)、电磁滚轮(23)、横板(25)、竖板(27)、导轨(26)和限位板(22)，所述的电磁滚轮(23)安装在横板(25)的底部，所述的导轨(26)安装在载重箱(11)的底板上，所述的电磁滚轮(23)在导轨(26)内移动，所述的横板(25)上设有限位板(22)，所述水箱(20)通过限位板(22)固定在横板(25)上，所述的横板(25)一侧固定有竖板(27)，该竖板(27)同时为载重箱(11)箱体的开口盖，竖板(27)与箱体通过电磁锁连接；所述的水箱(20)一侧设有密封盖(28)，用于连接吸水管(19)；
所述的自动控制机构安装在飞行板(3)内，用于对飞行机构、灭火机构、补充水原料机构进行控制；
所述的旋翼单元包括两个桨叶(1)、旋翼电机(2)和旋翼杆(16)，所述的旋翼杆(16)下端连接倾转杆(4)，上端分别连接两个桨叶(1)，所述的旋翼电机(2)安装在旋翼杆(16)内；
所述的支撑杆(12)下端设有降落杆(14)，该降落杆(14)用于接触地面进行缓冲；
所述的飞行板(3)上表面设有太阳能电池板(5)；
所述的灭火机构中，吸水管(19)采用硬质材料管；
所述的水箱(20)一侧设有圆形口，所述的密封盖(28)嵌入圆形口中，密封盖(28)中有内置塑料塞(29)，可被吸水管(19)捅破；
所述的自动控制机构包括主控模块(33)、SALM智能模块(32)、信号收发模块(31)、远程遥控模块(30)、可旋转的高清相机(10)、电机控制电路(35)和电磁控制电路(34)，所述的可旋转的高清相机(10)连接SALM智能模块(32)和主控模块(33)，所述的远程遥控模块(30)通过信号收发模块(31)连接主控模块(33)，所述的电机控制电路(35)和电磁控制电路(34)也均连接主控模块(33)；
所述的可旋转的高清相机(10)安装在连接块(7)侧壁上；
自动控制机构还包括连接主控模块(33)的热红外摄像机(6)和温度传感器(15)，热红外摄像机(6)安装在连接块(7)侧壁上，所述的温度传感器(15)安装在降落杆(14)的下方；
自动控制机构还包括连接主控模块(33)的压力传感器(24)，该压力传感器(24)安装在横板(25)内部。
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