CN112076410A - 一种基于无人机的消防装置 - Google Patents

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于显利
李喆
祝智强
呼咏
汪涵
呼烨
王辉
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Abstract

本发明提供了一种基于无人机的消防装置，包括可以无线遥控控制飞行的无人机，无人机前部为无人机起落架，无人机起落架的下部设置有消防装置；消防装置包括矩形的底板、设置在底板上的取水部分、喷水部分、探测摄像头、水箱以及中控单元；喷水部分包括炮塔部分和底座部分，炮塔部分可以在底座部分上沿水平方向和竖直方向转动以调整喷射角度；本装置替代了现有无人机带水管飞行的消防技术，将水储存在水箱中，且可增添环泵泡沫比例混合器等多种外接气体混合器，既实现了进行复杂地形消防的需求，又可以喷出远大于水箱体积的灭火介质，本装置的安装适用于市面上具有预设起落架的无人机，适用性强。

Description

一种基于无人机的消防装置
技术领域
本发明涉及消防技术领域，特别是新型消防设备，具体是一种基于无人机的消防装置。
背景技术
消防是一种以灭火和营救为主的行动，危险性极大，火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧。它极大的威胁了人们的生命以及财产安全。目前灭火主要以消防车和消防队员人力扑救为主，有很多情况比如高楼灭火会使消防战士的行动变得困难，并形成一种难以想象的危险情形。
对于高层灭火来说，最大的难题就是消防云梯的长度和消防水枪的扬程存在极限，且高层灭火难度大，消耗大。消防战士以人力搜救会使他们处于一种危险的境地。目前中国无人机技术站在世界前列，无人机可军用，民用。且高楼大厦日益增多。无人机恰好具有机动性强，控制方便等优势，所以可以将无人机和消防装置结合起来。但目前的无人机系消防装置均为无人机吊装水管进行喷水，对于复杂地形灭火受水管限制较大。所以发明一种新的、主要用于城市间的、具有高度自动化的、适用于无人机的消防装置进行灭火，安全可靠，且能保证消防人员的人身安全。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于无人机的消防装置，克服了现有技术存在的自动化程度不够，复杂地势下灭火困难等问题
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于无人机的消防装置，包括可以无线遥控控制飞行的无人机，无人机前部为无人机起落架，无人机起落架的下部设置有消防装置；
消防装置包括一个矩形的底板、设置在底板上的取水部分、喷水部分、探测摄像头、水箱以及中控单元，底板固定连接在无人机起落架下部，探测摄像头设置在底板的上表面的前端的中心处，水箱固定设置在底板的下表面上；
取水部分包括进水管、出水管、连接管以及水泵组，进水管的一端穿过底板与水箱连通，进水管的另一端通过一个2号密封法兰连接在水泵组的进水口上，出水管的一端通过一个3号密封法兰连接在水泵组的出水口上，出水管的另一端通过一个1号密封法兰与连接管连接，水泵组通过螺栓固定连接至底板上；
喷水部分包括炮塔部分和底座部分，炮塔部分包括中空的前炮管、俯仰电机、中空的中炮管、中空的后炮管、圆盘形的横摆支撑架以及带有存储功能的摄像头；底座部分包括底盘、旋转盘、定盘、法兰盘，以及横摆电机，前炮管、中炮管和后炮管从前至后顺序连接在一起，后炮管通过连接管头与连接管连通，一个2号夹片轴一端和一个1号夹片轴的一端通过螺栓固定连接在中炮管503 上，2号夹片轴的另一端和1号夹片轴的另一端分别套在一个轴承上，中炮管两侧各有一个轴承座，两个轴承座的底部连接为一体，两个轴承分别支承在对应的轴承座中，其中，2号夹片轴的轴承对应的轴承座底部延伸出一个水平方向的俯仰电机固定板，俯仰电机通过螺栓固定在俯仰电机固定板上，俯仰电机的输出轴与2号夹片轴的另一端通过一个1号联轴器连接；横摆电机通过螺栓固定连接在底板的下表面上，横摆电机的输出轴穿过底板并通过2号联轴器与一个横摆轴连接，横摆轴与法兰盘花键连接，法兰盘与横摆支撑架通过螺栓固定连接，横摆支撑架与旋转盘通过螺栓固定连接，旋转盘空套在定盘上，定盘的外径小于旋转盘内径，定盘通过螺栓固定连接在底盘上，三个间隔均匀分布的连接柱的一端通过螺纹连接在底盘上，三个连接柱的另一端固定连接在底板上，横摆支撑架下部对称加工有环形支撑腿，环形支撑腿插入到底盘上的圆环形槽中，其中圆环形支撑槽的内径小于环形支撑腿内径，圆环形支撑槽的外径大于环形支撑腿的外径，摄像头的底座具有圆环结构的卡环，卡环的内径与前炮管的外径相同，摄像头通过卡环、螺栓和垫片夹紧在前炮管的管壁上；
中控单元可以和外部的遥控器进行通讯，探测摄像头、水泵组、俯仰电机、摄像头以及横摆电机均与中控单元连接。
进一步的技术方案包括：
底板的四个角各通过一个连接角箍与无人机起落架的底部固定连接，连接角箍呈中空楔形，连接角箍的一端伸出可活动的管箍与无人机起落架相连，连接角箍的另一端加工有连接螺栓孔，连接角箍通过该连接螺栓孔和螺栓与底板连接，底板与螺栓相连处设置有连接角箍滑槽，底板上还有两个对称设置的沿前后方向的连接轴滑槽，每个连接轴滑槽内均设置有一个可以在连接轴滑槽中前后滑移的连接轴，每个连接轴的顶端均与无人机起落架连接。
底板上固定设置有环泵泡沫比例混合器，环泵泡沫比例混合器的出口通过管路与出水管连通，在水箱填充不同灭火介质的情况下，喷水时环泵泡沫比例混合器将灭火介质与空气混合可以增大灭火介质体积。
前炮管的喷嘴为鸭嘴型喷嘴、圆台形喷嘴、阵列型喷嘴以及圆锥形喷嘴中的一种，其中，鸭嘴型喷嘴从后向前喷嘴的横向宽度逐渐增大、喷嘴的纵向高度逐渐减小从而形成的扁口喷嘴；圆台形喷嘴为从后向前直径逐渐增大从而形成的圆台形的喷嘴；阵列型喷嘴为带有多个喷孔且喷空排列成圆形阵列的圆柱形的喷嘴；圆锥形喷嘴为从后向前直径逐渐减小从而形成的圆锥形的喷嘴。
中控单元采用装有遥控器接收机的PLC。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种基于无人机的消防装置替代了现有无人机带水管飞行的消防技术，将水储存在飞机水箱中，且可增添环泵泡沫比例混合器等多种外接气体混合器，即实现了进行复杂地形消防的需求，又可以喷出远大于水箱体积的灭火介质。
2.本发明所述的一种基于无人机的消防装置与现有技术相比采用了包括中控单元与摄像头的火源探测系统，可以实时探测火源并将实时图像传回云端以便查看火源情况。
3.本发明所述的一种基于无人机的消防装置与在探测火源后可进行计算得出水炮旋转角度，根据角度控制电机使水炮旋转相应角度对准火源，与现有技术相比实现了自动控制。
4.本发明所述的一种基于无人机的消防装置与现有技术相比实现了消防装置的安装适用于市面上具有预设起落架的无人机，适用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明所述的一种基于无人机的消防装置的结构组成的轴测图。
图2为本发明中的消防装置的轴测图。
图3为本发明的消防装置的取水部分的轴测图。
图4为本发明的消防装置的喷水部分的轴测图。
图5为本发明的喷水部分的炮塔部分的轴测图。
图6为本发明的喷水部分的炮塔部分另一角度的轴测图。
图7为本发明的底座部分的轴测图。
图8为本发明的喷水部分的圆锥形前炮管截面图。
图9为本发明的鸭嘴型前炮管的结构示意图。
图10为本发明中的圆台形前炮管的结构示意图。
图11为本发明中的阵列型前炮管的结构示意图。
图12为本发明中的圆锥形前炮管的结构示意图。
图13为本发明中的连接角箍轴测图。
图中：101.无人机，102.消防装置，201.连接角箍，202.底板，203.连接轴，204.取水部分，205.喷水部分，206.探测摄像头，207.水箱，208.中控单元，301.进水管，302.出水管，303.1号密封法兰，304.连接管，305.连接管头， 306.水泵组，307.2号密封法兰，308.3号密封法兰，309环泵泡沫比例混合器， 401.炮塔部分，402.底座部分，501.前炮管，502.俯仰电机，503.中炮管，504. 后炮管，505.1号夹片轴，506.横摆支撑架，507.1号联轴器，508.2号夹片轴， 509.轴承，510.摄像头，511.轴承座，601.底盘，602.旋转盘，603.定盘，604. 法兰盘，605.连接柱，606.2号联轴器，607.横摆电机，608.横摆轴，901.鸭嘴型前炮管，902.圆柱形前炮管，903.阵列型前炮管，904.圆锥形前炮管。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的描述。
本实施例的一种基于无人机的消防装置如图1所示，包括可以无线遥控控制飞行的无人机101，无人机101前部为无人机起落架，无人机起落架的下部设置有消防装置102。
参阅图2，所述消防装置102包括一个矩形的底板202、设置在底板202上的取水部分204、喷水部分205、探测摄像头206、水箱207以及中控单元208，底板202固定连接在无人机起落架下部，底板202的四个角各通过一个连接角箍201与无人机起落架的底部固定连接，连接角箍201呈中空楔形，连接角箍 201的一端伸出可活动的管箍与无人机起落架相连，连接角箍201的另一端加工有连接螺栓孔，连接角箍201通过该连接螺栓孔和螺栓与底板202连接，底板 202与螺栓相连处设置有连接角箍滑槽，底板202上还有两个对称设置的沿前后方向的连接轴滑槽，每个连接轴滑槽内均设置有一个可以在连接轴滑槽中前后滑移的连接轴203，每个连接轴203的顶端均与无人机起落架连接，其中连接轴 203底端为阶梯式轴，阶梯轴小径加工螺纹且小于连接轴滑槽宽度，阶梯轴大径大于连接轴滑槽宽度，可使连接轴203沿连接轴滑槽方向自由移动且可以通过螺母在理想位置锁死。
探测摄像头206设置在底板202的上表面的前端的中心处，水箱207固定设置在底板202的下表面上，水箱207加工有螺纹孔，与底板202上预设的通孔配合进行固定。
参阅图3，取水部分204包括进水管301、出水管302、连接管304以及水泵组306，进水管301的一端穿过底板202与水箱207连通，进水管301的另一端通过一个2号密封法兰307连接在水泵组306的进水口上，出水管302的一端通过一个3号密封法兰308连接在水泵组306的出水口上，出水管302的另一端通过一个1号密封法兰303与连接管304连接，1号密封法兰303、2号密封法兰307、3号密封法兰308均为两段分开的、对称式结构，每一段形状为中空盘状，盘周边开孔，且两段透过孔通过螺栓相连。水泵组306通过螺栓固定连接至底板202上。底板202上固定设置有环泵泡沫比例混合器309，环泵泡沫比例混合器309的出口通过管路与出水管302连通，在水箱207填充不同灭火介质的情况下，喷水时环泵泡沫比例混合器309将灭火介质与空气混合可以增大灭火介质体积。
参阅图4、图5、图6、图7，喷水部分205包括炮塔部分401和底座部分 402，炮塔部分401包括中空的前炮管501、俯仰电机502、中空的中炮管503、中空的后炮管504、圆盘形的横摆支撑架506以及带有存储功能的摄像头510；底座部分包括底盘601、旋转盘602、定盘603、法兰盘604，以及横摆电机607，前炮管501、中炮管503和后炮管504从前至后顺序连接在一起，后炮管504通过连接管头305与连接管304连通，一个2号夹片轴508一端和一个1号夹片轴505的一端通过螺栓固定连接在中炮管503上，2号夹片轴508的另一端和1 号夹片轴505的另一端分别套在一个轴承509中，中炮管503两侧各有一个轴承座511，两个轴承座511的底部连接为一体，轴承座511的底部打孔与横摆支撑架506孔配合通过螺栓相连，两个轴承509分别支承在对应的轴承座511中，其中，2号夹片轴508的轴承509对应的轴承座511底部延伸出一个水平方向的俯仰电机固定板，俯仰电机502通过螺栓固定在俯仰电机固定板上，俯仰电机 502的输出轴与2号夹片轴508的另一端通过一个1号联轴器507连接；横摆电机607通过螺栓固定连接在底板202的下表面上，横摆电机607的输出轴穿过底板202并通过2号联轴器606与一个横摆轴608连接，横摆轴608与法兰盘 604花键连接，法兰盘604与横摆支撑架506通过螺栓固定连接，横摆支撑架 506与旋转盘602通过螺栓固定连接，旋转盘602空套在定盘603上，定盘603 的外径小于旋转盘602内径，定盘603通过螺栓固定连接在底盘601上，三个间隔均匀分布的连接柱605的一端通过螺纹连接在底盘601上，三个连接柱605的另一端通过螺母固定连接在底板202上，横摆支撑架506下部对称加工有环形支撑腿，环形支撑腿插入到底盘601上的圆环形槽中，其中圆环形支撑槽的内径小于环形支撑腿内径，圆环形支撑槽的外径大于环形支撑腿的外径，横摆支撑架506可以沿着环形支撑槽做圆周运动，摄像头510的底座具有圆环结构的卡环，卡环的内径与前炮管501的外径相同，摄像头510通过卡环、螺栓和垫片夹紧在前炮管501的管壁上；
中控单元208采用装有遥控器接收机的PLC，中控单元208可以和外部的遥控器进行无线通讯，探测摄像头206、水泵组306、俯仰电机502、摄像头510 以及横摆电机607均与中控单元208连接。
参阅图8、图9，图8为图9圆锥形喷嘴904的截面图，圆锥形喷嘴904小端处为水流喷出处，大端直径D大于小端直径d，由此产生收缩角α，α在12 °～16°时射流特性最佳，集中喷射度达到最高。
参阅图9，其前炮管501的喷嘴为鸭嘴型喷嘴901、圆台形喷嘴902、阵列型喷嘴903以及圆锥形喷嘴904中的一种，其中，鸭嘴型喷嘴901从后向前喷嘴的横向宽度逐渐增大、喷嘴的纵向高度逐渐减小从而形成的扁口喷嘴，在火源位置成块排列时使用；圆台形喷嘴902为从后向前直径逐渐增大从而形成的圆台形的喷嘴，在火源位置不明确且烟雾极大时使用；阵列型喷嘴903为带有多个喷孔且喷空排列成圆形阵列的圆柱形的喷嘴，在火源贴近地面火源面积较大时使用；圆锥形喷嘴904为从后向前直径逐渐减小从而形成的圆锥形的喷嘴，在火源位置较为集中时使用。
本发明提供的一种基于无人机的消防装置的工作原理和过程如下：
工作时，先人为操控无人机至指定地点，其中安装水炮一侧面向火源。首先由人力操作遥控器选择手动模式和自动模式。
手动模式可随时开启，且当自动模式开启后再开启手动模式会自动停止自动模式。手动模式是具有预设起落架的动作均为遥控器发出信号至中控单元 208，由中控单元208接受信号进行计算与控制动作。
自动模式为无人机遥控器一次发出信号至中控单元208，中控单元208开始自主工作，对探测摄像头206返回的画面进行图像处理，判断其火源中心，计算得出水炮应转动的横摆角与俯仰角换算为电机的脉冲数，先由中控单元208 控制水泵组306吸水，水储存在水箱207中，水流通过进水管301，出水管302，连接管304，后炮管504，中炮管502，前炮管501，由前炮管501喷出。再由中控单元控制俯仰电机502与横摆电机607做出相应动作。如判断不出火源中心即为无燃烧状态，中控单元208停止水泵组306吸水，喷水动作停止或不启动，且探测摄像头206所得图像实时传回云端，可在无人机遥控器上实时显示。若增加环泵泡沫比例混合器309，泡沫流向与水流相同，其余工作过程不变。
俯仰动作实现如下，俯仰电机502传递的转矩与转速有顺序的先后经过1 号联轴器507，2号夹片轴508，中炮管502，前炮管501，由此实现俯仰动作，中炮管502所固定的1号夹片轴505在另一侧旋转，起到支撑作用。
横摆动作实现如下，横摆电机607传递的转矩与转速有顺序的先后经过2 号联轴器606，横摆轴608，法兰盘604，横摆支撑架506，轴承座511，炮塔部分401，旋转盘602，由此实现炮塔部分401的整体旋转。且炮塔部分401的全部重量由底盘601承担，优点为在同等条件下可选择低扭矩、小尺寸、小重量的电机，电机不受轴向力后电机纵向无振动，可使电机轴承在同等条件下具有更长的寿命，从而间接提高了电机的寿命，减轻了消防装置总体的重量。
摄像头510具有工作模式一，工作模式二共两种工作模式，工作模式一为飞机在飞行时实时传回视频信息，可在遥控器端查看并传回云端储存；工作模式二为飞机在飞行时视频信息存储在摄像头自身配备的存储元件如SD卡等工具，待飞机灭火完毕后查看灭火视频可以对飞机不足之处进行改进。

Claims (5)

1.一种基于无人机的消防装置，包括可以无线遥控控制飞行的无人机(101)，无人机(101)前部为无人机起落架，其特征在于，无人机起落架的下部设置有消防装置(102)；
消防装置(102)包括一个矩形的底板(202)、设置在底板(202)上的取水部分(204)、喷水部分(205)、探测摄像头(206)、水箱(207)以及中控单元(208)，底板(202)固定连接在无人机起落架下部，探测摄像头(206)设置在底板(202)的上表面的前端的中心处，水箱(207)固定设置在底板(202)的下表面上；
取水部分(204)包括进水管(301)、出水管(302)、连接管(304)以及水泵组(306)，进水管(301)的一端穿过底板(202)与水箱(207)连通，进水管(301)的另一端通过一个2号密封法兰(307)连接在水泵组(306)的进水口上，出水管(302)的一端通过一个3号密封法兰(308)连接在水泵组(306)的出水口上，出水管(302)的另一端通过一个1号密封法兰(303)与连接管(304)连接，水泵组(306)通过螺栓固定连接至底板(202)上；
喷水部分(205)包括炮塔部分(401)和底座部分(402)，炮塔部分(401)包括中空的前炮管(501)、俯仰电机(502)、中空的中炮管(503)、中空的后炮管(504)、圆盘形的横摆支撑架(506)以及带有存储功能的摄像头(510)；底座部分包括底盘(601)、旋转盘(602)、定盘(603)、法兰盘(604)，以及横摆电机(607)，前炮管(501)、中炮管(503)和后炮管(504)从前至后顺序连接在一起，后炮管(504)通过连接管头(305)与连接管(304)连通，一个2号夹片轴(508)一端和一个1号夹片轴(505)的一端通过螺栓固定连接在中炮管503上，2号夹片轴(508)的另一端和1号夹片轴(505)的另一端分别套在一个轴承(509)上，中炮管(503)两侧各有一个轴承座(511)，两个轴承座(511)的底部连接为一体，两个轴承(509)分别支承在对应的轴承座(511)中，其中，2号夹片轴(508)的轴承(509)对应的轴承座(511)底部延伸出一个水平方向的俯仰电机固定板，俯仰电机(502)通过螺栓固定在俯仰电机固定板上，俯仰电机(502)的输出轴与2号夹片轴(508)的另一端通过一个1号联轴器(507)连接；横摆电机(607)通过螺栓固定连接在底板(202)的下表面上，横摆电机(607)的输出轴穿过底板(202)并通过2号联轴器(606)与一个横摆轴(608)连接，横摆轴(608)与法兰盘(604)花键连接，法兰盘(604)与横摆支撑架(506)通过螺栓固定连接，横摆支撑架(506)与旋转盘(602)通过螺栓固定连接，旋转盘(602)空套在定盘(603)上，定盘(603)的外径小于旋转盘(602)内径，定盘(603)通过螺栓固定连接在底盘(601)上，三个间隔均匀分布的连接柱(605)的一端通过螺纹连接在底盘(601)上，三个连接柱(605)的另一端固定连接在底板(202)上，横摆支撑架(506)下部对称加工有环形支撑腿，环形支撑腿插入到底盘(601)上的圆环形槽中，其中圆环形支撑槽的内径小于环形支撑腿内径，圆环形支撑槽的外径大于环形支撑腿的外径，摄像头(510)的底座具有圆环结构的卡环，卡环的内径与前炮管(501)的外径相同，摄像头(510)通过卡环、螺栓和垫片夹紧在前炮管(501)的管壁上；
中控单元(208)可以和外部的遥控器进行无线通讯，探测摄像头(206)、水泵组(306)、俯仰电机(502)、摄像头(510)以及横摆电机(607)均与中控单元(208)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的消防装置，其特征在于，底板(202)的四个角各通过一个连接角箍(201)与无人机起落架的底部固定连接，连接角箍(201)呈中空楔形，连接角箍(201)的一端伸出可活动的管箍与无人机起落架相连，连接角箍(201)的另一端加工有连接螺栓孔，连接角箍(201)通过该连接螺栓孔和螺栓与底板(202)连接，底板(202)与螺栓相连处设置有连接角箍滑槽，底板(202)上还有两个对称设置的沿前后方向的连接轴滑槽，每个连接轴滑槽内均设置有一个可以在连接轴滑槽中前后滑移的连接轴(203)，每个连接轴(203)的顶端均与无人机起落架连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的消防装置，其特征在于，底板(202)上固定设置有环泵泡沫比例混合器(309)，环泵泡沫比例混合器(309)的出口通过管路与出水管(302)连通，在水箱(207)填充不同灭火介质的情况下，喷水时环泵泡沫比例混合器(309)将灭火介质与空气混合可以增大灭火介质体积。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的消防装置，其特征在于，前炮管(501)的喷嘴为鸭嘴型喷嘴(901)、圆台形喷嘴(902)、阵列型喷嘴(903)以及圆锥形喷嘴(904)中的一种，其中，鸭嘴型喷嘴(901)从后向前喷嘴的横向宽度逐渐增大、喷嘴的纵向高度逐渐减小从而形成的扁口喷嘴；圆台形喷嘴(902)为从后向前直径逐渐增大从而形成的圆台形的喷嘴；阵列型喷嘴(903)为带有多个喷孔且喷空排列成圆形阵列的圆柱形的喷嘴；圆锥形喷嘴(904)为从后向前直径逐渐减小从而形成的圆锥形的喷嘴。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的消防装置，其特征在于，中控单元(208)采用装有遥控器接收机的PLC。
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