CN115531767A - 一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，包括：自平衡增稳式系留无人机子系统和设置在地面上的地面保障子系统，自平衡增稳式系留无人机子系统通过管缆系统与地面保障子系统连接并配合使用；自平衡增稳式系留无人机子系统包括：系留无人机、可控稳定喷射机构，现场实时监测系统、告警系统，避障及防撞系统、破窗机构及机载飞控子系统，可控稳定喷射机构通过两轴增稳机构控制可伸缩管，管缆系统的一端通过舵机旋转机构与系留无人机连接使用，在发生意外情况时通过机载飞控子系统控制执行机构，快速与系留无人机脱离。还公开了基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火控制方法、电子设备和计算机可读存储介质。

Description

一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统
技术领域
本发明属于消防灭火技术领域，尤其涉及一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统及控制方法。
背景技术
近年来高层建筑在城市中的分布逐渐增多，威胁高层建筑安全的首要问题就是火灾，由于高层建筑的特性，在高层建筑内发生火灾后，由于大部分高层建筑拥有诸多贯穿空间和井道，因此火势可以沿着水平和垂直两方向蔓延，并且很容易产生烟囱效应。现有消防设备包括高压水枪、消防云梯车、传统无人机等，现有消防设备对于高层建筑灭火存在以下不足：(1)由于操作人员站位和水压的限制，高压水枪只能完成较低楼层的灭火任务；(2)消防云梯车受到火场建筑周围的环境因素影响较大，并且展开时间较长，对于在云梯车上进行灭火任务的消防员也存在较高风险；云梯车大多依赖进口，并且尚不能满足超高建筑的火灾灭火需要；(3)传统无人机受载重和续航问题的限制，灭火效率低；自动化程度不高；传统无人机搭载的任务系统不完善。
总之，以上传统的灭火设备对于高层建筑灭火效果不佳，特别是100米以上高层建筑灭火成为世界性难题。
此外，现有技术中也有系留机器人在消防灭火领域的应用，通常，现有技术中系留无人机系统包括：系留无人机、环境监测单元、灭火单元和救援弹射单元；其中环境监测单元、灭火单元和救援弹射单元均安装在系留无人机上，环境监测单元用于监测系留无人机所处的环境信息，其中环境信息包括系留无人机的周侧影像、物体距离和温度等；救援弹射单元用于弹射灭火介质，如装载有防毒面具的救援弹；灭火单元用于喷射灭火剂，如水、干粉等。系留无人机上还安装有救援扩音器(如高音喇叭)和救援照明灯，救援扩音器便于对被困人员进行广播或者对话，救援照明灯则用于提供照明，便于后续的救援作业。然而，该技术方案存在如下技术缺陷：
(1)系留无人机的动力系统布置为矩形布置，并且消防水炮、灭火弹发射装置和破窗枪均布置在矩形布置的短边上，当这些装置工作所产生突变冲击载荷对无人机姿态造成冲击时，由于短边方向上的动力系统拉力线距离比较近，产生的突变冲击载荷容易对无人机姿态造成冲击，所以该系统的飞行稳定性差；
(2)即使为了平衡一部分冲击力而增加反推风扇，但是系统的重量会增大，系统耗电和功率也会大幅提高，为线路带来额外的负担，同时也增大了飞控的计算量；
(3)风扇的反推力同样会对无人机造成冲击，增加系统的不稳定性；
(4)消防水炮的长度不能伸缩，所以在灭火时无人机距离建筑和火患处距离较近，火患的气流和温度对无人机影响较大。
综上所述，需要提供更为有效的高层建筑的灭火设施和方法应对现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种大载重、长航时、控制稳定、自动化程度高的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统及其控制方法，在系留无人机上同时设置可精准控制的稳定喷射机构，使得系留无人机具有高空中精准灭火功能，在面对高层建筑消防灭火情况下，根据现场实时监测系统实时采集现场的图像信息，能够及时高效的让消防员对现场做出最快捷有效的灭火及救援手段，不仅能够保障消防灭火的及时性，同时也能提高消防灭火的灵活性；同时提供舵机旋转机构能够在紧急情况下快速抛离系留无人机失稳的线缆和软管，回到稳定飞行状态。
本发明一方面提供了一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，包括：自平衡增稳式系留无人机子系统和设置在地面上的地面保障子系统，所述地面保障子系统为消防车或无人机承载运输车，所述自平衡增稳式系留无人机子系统通过管缆系统与地面保障子系统连接并配合使用；所述管缆系统包括：为所述自平衡增稳式系留无人机子系统供电或油的能源电缆或油管、自平衡增稳式系留无人机子系统与地面保障子系统通信的通信线缆以及为所述自平衡增稳式系留无人机子系统提供灭火介质的消防软管；
所述自平衡增稳式系留无人机子系统包括：系留无人机，设置在所述系留无人机上的可控稳定喷射机构，现场实时监测系统、告警系统，避障及防撞系统、破窗机构以及机载飞控子系统，所述机载飞控子系统为三余度设计，包括三台飞控计算机，每台飞控计算机运行相同的任务，所述任务包括初始化、同步、数据采集、输入数据交叉传输、输入数据比较、数据融合、控制率计算、输出数据交叉传输、输出数据比较和故障处理；通过投票确定三台飞控计算机中的主控计算机；其中：
所述可控稳定喷射机构包括可伸缩管和两轴增稳机构，所述可伸缩管用于喷射消防用灭火剂；所述两轴增稳机构用于调整所述可伸缩管的方向和姿态角，所述两轴增稳机构包括第一旋转轴，第二旋转轴，上端部以及机械接口，其中所述第一旋转轴和第二旋转轴均通过步进电机控制，用于控制可控稳定喷射机构的水平和上下偏移角度，所述第二旋转轴嵌置在所述第一旋转轴内部并且第二旋转轴的两臂与所述第一旋转轴的两臂同向紧密贴合连接，所述上端部的下端面与所述第一旋转轴的上端面机械连接，所述上端部的上端面通过机械连接端口与所述系留无人机的底部连接，所述机械接口具有多个，分别设置在所述第二旋转轴的两臂与所述第一旋转轴的两臂贴合处，通过所述机械接口将所述可控稳定喷射机构与所述第一旋转轴和所述第二旋转轴连接。
优选的，还包括：舵机旋转机构，所述管缆系统的一端通过舵机旋转机构与所述系留无人机连接使用，并且能在发生意外情况时通过机载飞控子系统控制执行机构，使能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管快速与系留无人机脱离；其中，
所述舵机旋转机构包括无人机固定端A、上下接头旋转防拉脱结构B以及旋转锁紧机构C，所述舵机旋转机构为L型结构，无人机固定端A位于L型结构的一个臂上，上下接头旋转防拉脱结构B以及旋转锁紧机构C位于另一个臂上，无人机固定端A和上下接头旋转防拉脱结构B通过旋转锁紧机构C连接，无人机固定端A的一端固定在无人机上，上下接头旋转防拉脱结构B用于使得能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头连接后不会被拉力拉脱开，上下两个接头连接完全后，通过旋转锁紧机构C使两个接头连接锁紧，旋转锁紧结构C通过两个舵机作为执行机构，在机载飞控子系统的控制下，其中一个舵机控制旋转锁紧结构C正反向旋转来锁紧和放开能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头，另一个舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离。
优选的，所述现场实时监测系统由光电吊舱、监测摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器以及差分定位天线中的一种或多种组成，用于将火场实时情况通过图像和测距数据的形式传输给现场指挥车；
所述告警系统包括语音告警器和灯光告警器，用于基于接收到的控制指令分别实施语音告警/告诫和灯光告警/告诫；
所述避障及防撞系统用于确保无人机在执行灭火任务时不会撞到障碍物，包括毫米波雷达作为传感器形成毫米波避障及防撞系统，毫米波避障防撞子系统将系留无人机的速度和距离、光电吊舱提供的画面、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器和/或差分定位天线中任意一个或多个提供的测距数据发送给地面保障子系统内的车载任务管理子系统并与高层建筑三维模型进行融合匹配后获得匹配结果，将匹配结果进行人工确认，所述人工确认后向系留无人机发送防撞信息；
所述破窗机构与所述告警系统均设置在所述系留无人机的机身下方，所述破窗机构包括破窗弹发射机构。
优选的，所述语音告警器包括语音合成器和/或高音扬声器，所述灯光告警器包括LED告警/告诫灯，灯光告警器为红色的情况下实施告警，琥珀色的情况下实施告诫，所述语音告警/告诫和灯光告警/告诫还包括对于应急抛放消防软管，和/或抛放能源电缆或油管、通信线缆、和/或启动应急弹射伞、和/或通知地面人员撤离相关区域的告警/告诫。
优选的，所述系留无人机内还设置应急蓄电池，当所述系留无人机丧失电力时由所述应急蓄电池提供应急电源。
本发明的第二方面还提供一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法，包括：
S1，消防灭火前的预备控制，包括：实施空中和地面语音告警程序，当系留无人机(1)准备起飞时，机载飞控子系统(11)向告警系统(4)发送指令，所述告警系统(4)发出声音，同时航灯(14)闪烁，起飞一定高度后语音和航灯(14)闪烁关闭；
S2，消防灭火过程中的控制，包括：
S21，搭载的双频差分子系统依据车载双频差分基站的数据为机载飞控子系统建立相对于消防车或无人机承载运输车的坐标系，并跟随消防车或无人机承载运输车的运动而重新对准，进行系留无人机的准确定位、定高和定向；
S22,根据系留无人机上搭载的全向风速子系统和双频差分子系统，以及避障及防撞系统、消防车或无人机承载运输车的运动，实现系留无人机相对于消防车或无人机承载运输车以及高层建筑三维模型的位置、速度、速度方向、姿态、角速率、航向、高度和升降速度的稳定和控制；
S23，毫米波避障及防撞系统依据所述高层建筑三维模型、系留无人机在升起过程中光电吊舱、避障及防撞系统提供的数据为机载飞控子系统建立电子围栏；毫米波避障及防撞系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面和激光测距数据匹配到高层建筑三维模型中，匹配结果经过车载任务管理子系统人工确认后，毫米波避障及防撞系统将防撞信息提供给机载飞控子系统进行纠正，防止系留无人机撞击建筑；
S24，系留无人机携带光电吊舱进行火情侦察和火点智能判别，光电吊舱把火灾现场情况实时传输到地面指挥控制舱，操作人员获取并确认火灾实时信息后，按照受困人员、危险点、火点进行灭火优先智能决策和人工决策；
S25，对可控稳定喷射机构的喷射点位进行控制，完成稳定灭火；
S3，应急情况的控制，包括：
S31，根据螺旋桨失效状态、消防软管的拉力测量数值、全向风速子系统获得的最大风速、无人机稳定飞行程度，发出应急回收、应急抛管或应急抛伞指令后实施消防软管、能源电缆或油管和通信线缆应急抛防程序：当无人机姿态出现大幅度变化超出飞控内设定的安全姿态管道后，飞控启动消防软管和线缆抛离指令，同时语音告警系统发出警告，告知地面人员远离无人机下方区域，然后完成抛离；
S32，应急弹射伞程序：当机载飞控子系统判定系留无人机姿态不可控时，立刻发出应急弹伞指令，使救援降落伞弹出，并关闭发动机或电机，通过救援降落伞使系留无人机缓慢落地，保证地面人员和设备安全。
优选的，所述S25由两轴增稳机构完成，包括：
由两台步进电机分别控制第一旋转轴和第二旋转轴，使可控稳定喷射机构通过机载飞控子系统发出的控制信号控制两个旋转轴的旋转角度，从而对所述系留无人机的两个方向的姿态控制调整从而达到精准喷射的目的；
当系留无人机的姿态受到外界扰动导致俯仰角度和航向姿态变化时，两轴增稳机构通过机载飞控子系统自动控制，与系留无人机的俯仰角度变化和航向姿态的变化完成相反方向的相同姿态角控制，使可控稳定喷射机构的喷射点位保持不变，完成稳定灭火。
优选的，所述S31由所述舵机旋转机构完成，包括：
在机载飞控子系统的控制下，其中一个旋转舵机控制旋转锁紧结构正反向旋转来锁紧和放开所述管缆系统的上下两个接头，另一个旋转舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离；当遇到突发情况时，机载飞控子系统发出舵机旋转指令，指令传到控制舵机后，舵机驱动舵机旋转结构旋转，在空中通过机载飞控子系统的飞控指令控制使接头自动脱开，并快速抛离系留无人机上失稳的线缆和软管，使得所述系留无人机回到稳定飞行状态。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第二方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第二方面所述的方法。
本发明提供的方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，具有如下有益的技术效果：
(1)本发明的自平衡式系留消防系留无人机系统，在系留无人机上同时设置可控稳定喷射机构，使得系留无人机具有高空中精准灭火功能，保证了喷射的精准度和稳定性；
(2)系留消防软管与电缆、线缆与无人机接口的舵机旋转设计，在发生意外情况时，可以使系留消防软管与系留线缆与无人机快速分离，保证无人机的安全降落；
(3)在面对高层建筑消防灭火情况下，根据现场实时监测系统对系留无人机对发生火灾的现场给出实时的现场图像信息，能够及时高效的让消防员对现场做出最快捷有效的灭火及救援手段，不仅能够保障消防灭火的及时性，同时也能提高消防灭火的灵活性；
(4)自平衡式系留消防系留无人机系统的喷射机构可伸缩，能够使灭火剂更快更准确的喷至火患处，喷射距离长并且精度高，避障及防撞系统又能够使系留无人机与高层建筑之间保持一定安全距离，完全能够保证系留无人机的飞行安全。
(4)动力系统冗余设计，飞控系统冗余设计，能够保证无人机中在执行任务时的飞行稳定性和可靠性；搭载双频差分子系统使定位更精准，能在城市的复杂环境中更安全稳定的完成任务；更智能的飞控系统，增设电子围栏、应急蓄电池提供应急电源，实施空中和地面语音告警程序、空中和地面灯光告警程序、消防软管和系留线缆应急抛放程序、应急弹射伞程序；
(5)共轴双桨的动力系统设计，实现单轴动力冗余设计，在单个失效时，整个动力系统仍能通过飞控计算机的控制使无人机姿态平稳；
(6)自平衡式系留消防系留无人机系统的喷射机构中喷出的灭火剂可根据不同的火灾情况调整使用相应的灭火剂，并且喷射机构通过系留消防管连接至地面消防设备，这样能够保证灭火剂的储备得到保证，能够应对各种大小的火灾情况，提升了长时间灭火的能力，保证灭火的成功。
(7)本发明的自平衡式系留消防系留无人机系统，结构采用先进复合材料及航空用铝合金设计，总体设计合理，结构简单可靠、载荷单元丰富、消防效果稳定高效；自动化程度高，减少展开事件，大幅度提升了工作效率，其中采用系留无人机，能够保证高空长时间、大载重的消防作业。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例示出的系留无人机结构图；
图2为根据本发明优选实施例示出的两轴增稳可控喷射机构结构图；
图3为根据本发明优选实施例示出的舵机旋转机构结构图；
图4为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
提供了一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其中，系留无人机是一种特殊的空中无人机，该空中无人机通过供电线或其他能源线缆以及信号线缆连接地面电源设备，以常见的电力能源空中无人机为例，地面电源设备能够持续给无人机供电，从而提高无人机的续航里程，消防灭火属于系留无人机的一种特定应用。
参见图1，本实施例的自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统包括自平衡增稳式系留无人机子系统和设置在地面上的地面保障子系统组成，地面保障子系统例如为消防车或无人机承载运输车等，自平衡增稳式系留无人机子系统通过管缆系统与地面保障子系统连接并配合使用；
其中管缆系统包括：用于为自平衡增稳式系留无人机子系统供电或油的能源电缆或油管(对于小型的系留无人机用电能，中型的系留无人机使用混合动力，大型的系留无人机用燃油)、自平衡增稳式系留无人机子系统与地面保障子系统通信的通信线缆以及为自平衡增稳式系留无人机子系统提供灭火介质的消防软管；
参见图1，自平衡增稳式系留无人机子系统包括：系留无人机1、可控稳定喷射机构2，现场实时监测系统3、告警系统4，避障及防撞系统5以及破窗机构6；可控稳定喷射机构2，现场实时监测系统3、告警系统4，避障及防撞系统5以及破窗机构6均安装在系留无人机1上；系留无人机1上还设置救援降落伞系统；
其中，可控稳定喷射机构2用于喷射消防用灭火剂，喷射的灭火剂包括水和/或泡沫；包括可伸缩管和两轴增稳机构，可控稳定喷射机构2通过两轴增稳机构控制可伸缩管，不仅使无人机在灭火作业时保证消防喷管能精准对准火患处，并且能够通过两轴增稳机构的工作，使喷射精度能够抵抗外界因素对无人机姿态的影响使喷射误差达到最小；此外，需要说明的是，现有技术中通常采用三轴增稳机构，本实施例采用两轴增稳机构，简化了增稳机构设备的部件数量以及装配的难度，同时还能够提高喷射控制的精度，降低控制的难度。
其中能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管通过设置在可控稳定喷射机构上的舵机旋转机构与系留无人机1连接使用，并且能在发生意外情况时通过机载飞控子系统控制执行机构(本实施例中采用旋转舵机作为执行机构)，使能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管快速与系留无人机脱离，保证系留无人机的安全降落；可伸缩管采用可伸缩机构，保证了喷射的精准度和稳定性，同时可以保证无人机在执行任务时距离火患处有一定距离，保证了飞行安全。
现场实时监测系统3由光电吊舱、监测摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器以及差分定位天线中的一种或多种组成，用于将火场实时情况通过图像和测距数据的形式传输给现场指挥车，根据现场实时监测系统实时采集现场的图像信息和测距数据，能够及时高效的让消防员对现场做出最快捷有效的灭火及救援手段决策，不仅能够保障消防灭火的及时性，同时也能提高消防灭火的灵活性；
告警系统4包括语音告警器和灯光告警器，用于分别实施语音告警/告诫和灯光告警/告诫；告警系统4基于接收到的机载飞控子系统的指令，通过语音合成器、高音扬声器、LED告警/告诫灯实施语音告警/告诫、空中和地面灯光告警红色/告诫琥珀色、应急抛放消防软管，和/或抛放能源电缆或油管、通信线缆、和/或启动应急弹射伞、和/或通知地面人员撤离相关区域；
避障及防撞系统5用于确保无人机在执行灭火任务时不会撞到建筑物及环境中的线缆等障碍物，本实施例中采用毫米波雷达作为主要传感器形成毫米波避障及防撞系统，毫米波避障防撞子系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面以及激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器以及差分定位天线中任意一个或多个提供的测距数据发送给地面保障子系统内的车载任务管理子系统并与高层建筑三维模型进行融合匹配后获得匹配结果，将匹配结果进行人工确认，确认后向系留无人机1(实际发送到其上的机载飞控子系统)发送防撞信息；
破窗机构6与告警系统4均设置在系留无人机1的机身下方，破窗机构6包括破窗弹发射机构(图中未示出)，具有两个发射头，分别用于发射高密度金属颗粒物弹药和弹性材料弹药。
作为优选的实施方式，系留无人机1为多旋翼无人机，形成具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力；旋翼的总距固定，通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。本实施例中系留无人机1具有六个旋翼轴，每个旋翼轴上设置独立的动力系统12以及航灯14，其中本实施例中动力系统为共轴双桨动力系统，其中双桨表示两个螺旋桨，每个螺旋桨形成旋转的翼面，适用于任何机翼的诱导阻力、失速和其他空气动力学原理对螺旋桨使用，螺旋桨提供必要的拉力或推力使得无人机在空气中移动，产生推力的方式与机翼产生升力方式相似，产生的升力大小依赖于桨叶的形态、螺旋桨叶迎角和发动机的转速。螺旋桨叶本身是扭转的，因此桨叶角从毂轴到叶尖是变化的，最大的安装角在毂轴处，而最小安装角在叶尖。当桨叶旋转时，桨叶的不同部分有不同的实际速度，相同时间内叶尖旋转的距离比毂轴附近要长，桨叶尖部线速度比靠近毂轴部位的要快。从毂轴到叶尖安装角的变化和线速度的相应变化就能够在桨叶长度上产生一致的升力。本实施例中动力系统的桨叶可以为不能改变桨距的定距螺旋桨，也可以选择在飞行过程中根据情况在一个数量范围内无极调节螺旋桨桨距的变距螺旋桨，以匹配最优效率的发动机转速。
系留无人机1的主体下方设置起落架13，用于在地面停放时支撑系留无人机，并吸收无人机运动时产生的撞击载荷，由支撑脚、垫套和设置在垫套内部的多个扣合装置组成，垫套从支撑脚底部套入后，通过多个扣合部与系留无人机主体下方扣合固定。起落架13上设置空地信号传感器，空地信号传感器为压力开关，通过压力开关信号的输出确定所述系留无人机1的位置处于地面或空中，当空地信号传感器输出1时，所述系留无人机处于地面，当空地信号传感器输出0时，所述系留无人机处于空中。设置空地信号传感器，从而使得飞控系统能够根据系留无人机处于空中/地面的位置实施对应的操作，提高操作的安全性。
作为优选的实施方式，系留无人机1的机身内部设置机载飞控子系统11，机载飞控子系统11采用三余度设计，即采用同构型三通道主备兼容错结构，每个通道就是一台独立的飞控计算机，其系统软件完成机载飞控子系统的实时控制任务。每台飞控计算机都要运行相同的任务：初始化、同步、数据采集、输入数据交叉传输、输入数据比较、数据融合、控制率计算、输出数据交叉传输、输出数据比较、故障处理。三台飞控计算机开机初始化后，进入同步程序，从而使得三台飞控计算机同时开始运行，保障三台计算机采集的是同一任务周期的数据，并且输出结果也是同一任务周期中计算出来的，同步是三台计算机其他任务的基础，只有三台飞控计算机采集的是同一任务周期数据，才能保证后面的交叉传输和数据比较的正确。在完成同步程序后，三台计算机可以同时进行采集数据，数据交叉传输，数据比较监控，再融合一组控制律需要的数据，进行控制律的运算；并将输出的数据进行比较，输出，从而完成一个任务周期10ms的三余度任务；飞控计算机还执行故障监控任务，故障综合是将自动驾驶系统的故障状态及飞控计算机自身的故障进行统计综合，并将故障信息进行编码和存储，同时报告地面某一功能故障，包括故障记录和故障申报。当三台飞控计算机采用互监控方式对每一拍(10ms)的采集数据进行故障判断，并进行故障记录，当连续有8拍数据有故障，就认为对象(监测摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器、差分定位天线、舵机、余度计算部件)有故障，接着启动故障恢复程序，当故障恢复失败，就永久隔离该对象。机载飞控子系统11通过投票确定三台飞控计算机中的主控计算机，本实施例采用投票器的方式，通过权重作为投票的评判依据，有故障的飞控计算机退出主控地位，均无故障的三台飞控计算机权重相同。
机载飞控子系统的工作原理：
(1)根据系留无人机1上搭载的全向风速子系统和双频差分子系统，以及毫米波避障及防撞系统、消防车或无人机承载运输车的运动，实现系留无人机相对于消防车或无人机承载运输车以及高层建筑三维模型的位置、速度、速度方向、姿态、角速率、航向、高度和升降速度的稳定和控制；
(2)根据螺旋桨失效状态、消防软管的拉力测量数值、全向风速子系统获得的最大风速、无人机稳定飞行程度等，发出应急回收、应急抛管或应急抛伞指令；
(3)搭载的双频差分子系统依据车载双频差分基站的数据为机载飞控子系统11建立相对于消防车或无人机承载运输车的坐标系，并跟随消防车或无人机承载运输车的运动而重新对准，实现系留无人机的准确定位、定高和定向；
(4)毫米波避障及防撞系统依据高层建筑三维模型、系留无人机在升起过程中光电吊舱、避障及防撞系统提供的数据为机载飞控子系统建立电子围栏；毫米波避障及防撞系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面和激光测距数据匹配到高层建筑三维模型中，匹配结果需车载任务管理子系统人工确认后，毫米波避障及防撞系统将防撞信息提供给机载飞控子系统进行纠正，防止系留无人机撞击建筑。
(5)对于消防灭火任务的执行控制：系留无人机携带光电吊舱等进行火情侦察和火点智能判别以及人工确认，并按照受困人员、危险点、火点进行灭火优先智能决策和人工决策。
作为优选的实施方式，当系留无人机丧失电力时，系留无人机上的应急蓄电池提供应急电源，实施告警系统4的功能，即通过语音合成器、高音扬声器、LED告警/告诫灯实施语音告警/告诫、空中和地面灯光告警(红色)/告诫(琥珀色)、应急抛放消防软管，和/或抛放能源电缆或油管、通信线缆、和/或启动应急弹射伞、和/或通知地面人员撤离相关区域。
参见图2，两轴增稳机构包括第一旋转轴21，第二旋转轴22，上端部23以及机械接口24，其中第一旋转轴21和第二旋转轴22均通过步进电机控制，用于控制可控稳定喷射机构的水平和上下偏移角度(分别对应系留无人机的航向姿态和俯仰角度)，第二旋转轴22嵌置在第一旋转轴21内部并且第二旋转轴22的两臂与第一旋转轴21的两臂同向紧密贴合连接，上端部23的下端面与第一旋转轴21的上端面机械连接，上端部23的上端面通过机械连接端口与系留无人机1的底部连接，机械接口24具有多个，分别设置在第二旋转轴22的两臂与第一旋转轴21的两臂贴合处，通过机械接口24将可控稳定喷射机构与第一旋转轴21和第二旋转轴22连接。本实施例中，第一旋转轴21和第二旋转轴22均为凹字形，内部中空结构用于容置喷射机构本体。
可控稳定喷射机构的可控原理：
由两台步进电机分别控制两个旋转轴21，22，使可控稳定喷射机构通过两个旋转轴通过机载飞控子系统发出的控制信号进行两个方向的姿态控制调整从而达到精准喷射的目的；同时，当系留无人机姿态受到外界扰动导致俯仰角度和航向姿态变化时，两轴增稳机构通过机载飞控子系统自动控制，与系留无人机的俯仰角度变化和航向姿态的变化完成相反方向的相同姿态角控制，使可控稳定喷射机构的喷射点位保持不变，完成稳定灭火。
如图3所示，作为优选的实施方式，舵机旋转机构包括无人机固定端A、上下接头旋转防拉脱结构B以及旋转锁紧机构C，舵机旋转机构为L型结构，无人机固定端A位于L型结构的一个臂上，上下接头旋转防拉脱结构B以及旋转锁紧机构C位于另一个臂上，无人机固定端A和上下接头旋转防拉脱结构B通过旋转锁紧机构C连接，无人机固定端A的一端固定在无人机上，上下接头旋转防拉脱结构B能够保证能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头连接后不会被拉力拉脱开，上下两个接头连接完全后，通过旋转锁紧机构C使两个接头连接锁紧，旋转锁紧结构C通过两个旋转舵机作为执行机构，在机载飞控子系统的控制下，其中一个旋转舵机控制旋转锁紧结构C正反向旋转来锁紧和放开能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头，另一个旋转舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离，从而在遇到突发情况时，飞控发出舵机旋转指令，指令传到控制舵机后，舵机驱动舵机旋转结构旋转，在空中通过飞控指令控制使接头自动脱开，能够快速抛离系留无人机失稳的线缆和软管抛离，使得无人机回到稳定飞行状态。
作为优选的实施方式，旋转锁紧结构C也可以通过两个直线舵机作为执行机构，其中通过旋转的驱动结构将直线舵机转变为旋转舵机，从而提高相较于旋转舵机更强的输出动力。
实施例二
本实施例提供了一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火控制方法，包括：
S1，消防灭火前的预备控制，包括：实施空中和地面语音告警程序，当系留无人机1准备起飞时，机载飞控子系统11向告警系统4发送指令，所述告警系统4发出声音警告周围人员系留无人机即将起飞，同时航灯14闪烁提示周围人员，起飞一定高度后语音和航灯14闪烁关闭；
S2，消防灭火过程中的控制，包括：
S21，搭载的双频差分子系统依据车载双频差分基站的数据为机载飞控子系统11建立相对于消防车或无人机承载运输车的坐标系，并跟随消防车或无人机承载运输车的运动而重新对准，进行系留无人机1的准确定位、定高和定向；
S22,根据系留无人机1上搭载的全向风速子系统和双频差分子系统，以及避障及防撞系统5、消防车或无人机承载运输车的运动，实现系留无人机相对于消防车或无人机承载运输车以及高层建筑三维模型的位置、速度、速度方向、姿态、角速率、航向、高度和升降速度的稳定和控制；
S23，毫米波避障及防撞系统依据所述高层建筑三维模型、系留无人机在升起过程中光电吊舱、避障及防撞系统提供的数据为机载飞控子系统建立电子围栏；毫米波避障及防撞系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面和激光测距数据匹配到高层建筑三维模型中，匹配结果经过车载任务管理子系统人工确认后，毫米波避障及防撞系统将防撞信息提供给机载飞控子系统进行纠正，防止系留无人机撞击建筑；
S24，系留无人机携带光电吊舱进行火情侦察和火点智能判别，光电吊舱把火灾现场情况实时传输到地面指挥控制舱，操作人员获取并确认火灾实时信息后，按照受困人员、危险点、火点进行灭火优先智能决策和人工决策；
S25，对可控稳定喷射机构的喷射点位进行控制，完成稳定灭火；
S3，应急情况的控制，包括：
S31，根据螺旋桨失效状态、消防软管的拉力测量数值、全向风速子系统获得的最大风速、无人机稳定飞行程度，发出应急回收、应急抛管或应急抛伞指令后实施消防软管、能源电缆或油管和通信线缆应急抛防程序：当无人机姿态出现大幅度变化超出飞控内设定的安全姿态管道后，飞控启动消防软管和线缆抛离指令，同时语音告警系统发出警告，告知地面人员远离无人机下方区域，然后完成抛离；
S32，应急弹射伞程序：当机载飞控子系统判定系留无人机姿态不可控时，立刻发出应急弹伞指令，使救援降落伞弹出，并关闭发动机或电机，通过救援降落伞使系留无人机缓慢落地，保证地面人员和设备安全。
作为优选的实施方式，所述S25由所述两轴增稳机构完成，包括：
由两台步进电机分别控制第一旋转轴21和第二旋转轴22，使可控稳定喷射机构通过机载飞控子系统发出的控制信号控制两个旋转轴的旋转角度，从而对所述系留无人机1的两个方向的姿态控制调整从而达到精准喷射的目的；
当系留无人机1的姿态受到外界扰动导致俯仰角度和航向姿态变化时，两轴增稳机构通过机载飞控子系统自动控制，与系留无人机1的俯仰角度变化和航向姿态的变化完成相反方向的相同姿态角控制，使可控稳定喷射机构的喷射点位保持不变，完成稳定灭火。
作为优选的实施方式，所述S31由所述舵机旋转机构完成，包括：
在机载飞控子系统的控制下，其中一个旋转舵机控制旋转锁紧结构C正反向旋转来锁紧和放开所述管缆系统的上下两个接头，另一个旋转舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离；当遇到突发情况时，机载飞控子系统发出舵机旋转指令，指令传到控制舵机后，舵机驱动舵机旋转结构旋转，在空中通过机载飞控子系统的飞控指令控制使接头自动脱开，并快速抛离系留无人机1上失稳的线缆和软管，使得所述系留无人机1回到稳定飞行状态。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，所述指令用于实现如实施例一所述的方法。
如图4所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与所述处理器301连接的存储器302，所述存储器302存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行如实施例一所述的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其特征在于，包括：自平衡增稳式系留无人机子系统和设置在地面上的地面保障子系统，所述地面保障子系统为消防车或无人机承载运输车，所述自平衡增稳式系留无人机子系统通过管缆系统与地面保障子系统连接并配合使用；所述管缆系统包括：为所述自平衡增稳式系留无人机子系统供电或油的能源电缆或油管、自平衡增稳式系留无人机子系统与地面保障子系统通信的通信线缆以及为所述自平衡增稳式系留无人机子系统提供灭火介质的消防软管；
所述自平衡增稳式系留无人机子系统包括：系留无人机(1)，设置在所述系留无人机(1)上的可控稳定喷射机构(2)，现场实时监测系统(3)、告警系统(4)，避障及防撞系统(5)、破窗机构(6)以及机载飞控子系统(11)；其中：
所述可控稳定喷射机构(2)包括可伸缩管和两轴增稳机构，所述可伸缩管用于喷射消防用灭火剂；所述两轴增稳机构用于调整所述可伸缩管的方向和姿态角，所述两轴增稳机构包括第一旋转轴(21)，第二旋转轴(22)，上端部(23)以及机械接口(24)，其中所述第一旋转轴(21)和第二旋转轴(22)均通过步进电机控制，用于控制可控稳定喷射机构的水平和上下偏移角度，所述第二旋转轴(22)嵌置在所述第一旋转轴(21)内部并且第二旋转轴(22)的两臂与所述第一旋转轴(21)的两臂同向紧密贴合连接，所述上端部(23)的下端面与所述第一旋转轴(21)的上端面机械连接，所述上端部(23)的上端面通过机械连接端口与所述系留无人机(1)的底部连接，所述机械接口(24)具有多个，分别设置在所述第二旋转轴(22)的两臂与所述第一旋转轴(21)的两臂贴合处，通过所述机械接口(24)将所述可控稳定喷射机构与所述第一旋转轴(21)和所述第二旋转轴(22)连接；
所述机载飞控子系统(11)为三余度设计，包括三台飞控计算机，每台飞控计算机运行相同的任务，所述任务包括初始化、同步、数据采集、输入数据交叉传输、输入数据比较、数据融合、控制率计算、输出数据交叉传输、输出数据比较和故障处理中的一种或多种组合；通过投票确定三台飞控计算机中的主控计算机。
2.根据权利要求1所述的一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其特征在于，还包括：舵机旋转机构，所述管缆系统的一端通过舵机旋转机构与所述系留无人机(1)连接使用，并且能在发生意外情况时通过机载飞控子系统控制执行机构，使所述管缆系统与系留无人机脱离；其中，
所述舵机旋转机构包括无人机固定端(A)、上下接头旋转防拉脱结构(B)以及旋转锁紧机构(C)，所述舵机旋转机构为L型结构，无人机固定端(A)位于L型结构的一个臂上，上下接头旋转防拉脱结构(B)以及旋转锁紧机构(C)位于另一个臂上，无人机固定端(A)和上下接头旋转防拉脱结构(B)通过旋转锁紧机构(C)连接，无人机固定端(A)的一端固定在无人机上，上下接头旋转防拉脱结构(B)用于使得能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头连接后不会被拉力拉脱开，上下两个接头连接完全后，通过旋转锁紧机构(C)使两个接头连接锁紧，旋转锁紧结构(C)通过两个舵机作为执行机构，在机载飞控子系统的控制下，其中一个舵机控制旋转锁紧结构(C)正反向旋转来锁紧和放开能源电缆或油管、通信线缆以及消防软管的上下两个接头，另一个舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离。
3.根据权利要求2所述的一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其特征在于，所述现场实时监测系统(3)由光电吊舱、监测摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器以及差分定位天线中的一种或多种组成，用于将火场实时情况通过图像和测距数据的形式传输给现场指挥车；
所述告警系统(4)包括语音告警器和灯光告警器，用于基于接收到的控制指令分别实施语音告警/告诫和灯光告警/告诫；
所述避障及防撞系统(5)用于确保无人机在执行灭火任务时不会撞到障碍物，包括毫米波雷达作为传感器形成毫米波避障及防撞系统，毫米波避障防撞子系统将系留无人机(1)的速度和距离、光电吊舱提供的画面、激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器和/或差分定位天线中任意一个或多个提供的测距数据发送给地面保障子系统内的车载任务管理子系统并与高层建筑三维模型进行融合匹配后获得匹配结果，将匹配结果进行人工确认，所述人工确认后向系留无人机(1)发送防撞信息；
所述破窗机构(6)与所述告警系统(4)均设置在所述系留无人机(1)的机身下方，所述破窗机构(6)包括破窗弹发射机构。
4.根据权利要求3所述的一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其特征在于，所述语音告警器包括语音合成器和/或高音扬声器，所述灯光告警器包括LED告警/告诫灯，灯光告警器为红色的情况下实施告警，琥珀色的情况下实施告诫，所述语音告警/告诫和灯光告警/告诫还包括对于应急抛放消防软管，和/或抛放能源电缆或油管、通信线缆、和/或启动应急弹射伞、和/或通知地面人员撤离相关区域的告警/告诫。
5.根据权利要求4所述的一种基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统，其特征在于，所述系留无人机(1)内还设置应急蓄电池，当所述系留无人机(1)丧失电力时由所述应急蓄电池提供应急电源。
6.一种根据权利要求2-5任一所述的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法，其特征在于，包括：
S1，消防灭火前的预备控制，包括：实施空中和地面语音告警程序，当系留无人机(1)准备起飞时，机载飞控子系统(11)向告警系统(4)发送指令，所述告警系统(4)发出声音，同时航灯(14)闪烁，起飞一定高度后语音和航灯(14)闪烁关闭；
S2，消防灭火过程中的控制，包括：
S21，搭载的双频差分子系统依据车载双频差分基站的数据为机载飞控子系统(11)建立相对于消防车或无人机承载运输车的坐标系，并跟随消防车或无人机承载运输车的运动而重新对准，进行系留无人机(1)的准确定位、定高和定向；
S22,根据系留无人机(1)上搭载的全向风速子系统和双频差分子系统，以及避障及防撞系统(5)、消防车或无人机承载运输车的运动，实现系留无人机相对于消防车或无人机承载运输车以及高层建筑三维模型的位置、速度、速度方向、姿态、角速率、航向、高度和升降速度的稳定和控制；
S23，毫米波避障及防撞系统依据所述高层建筑三维模型、系留无人机在升起过程中光电吊舱、避障及防撞系统提供的数据为机载飞控子系统建立电子围栏；毫米波避障及防撞系统将系留无人机的速度和距离以及光电吊舱提供的画面和激光测距数据匹配到高层建筑三维模型中，匹配结果经过车载任务管理子系统人工确认后，毫米波避障及防撞系统将防撞信息提供给机载飞控子系统进行纠正，防止系留无人机撞击建筑；
S24，系留无人机携带光电吊舱进行火情侦察和火点智能判别，光电吊舱把火灾现场情况实时传输到地面指挥控制舱，操作人员获取并确认火灾实时信息后，按照受困人员、危险点、火点进行灭火优先智能决策和人工决策；
S25，对可控稳定喷射机构的喷射点位进行控制，完成稳定灭火；
S3，应急情况的控制，包括：
S31，根据螺旋桨失效状态、消防软管的拉力测量数值、全向风速子系统获得的最大风速、无人机稳定飞行程度，发出应急回收、应急抛管或应急抛伞指令后实施消防软管、能源电缆或油管和通信线缆应急抛防程序：当无人机姿态出现大幅度变化超出飞控内设定的安全姿态管道后，飞控启动消防软管和线缆抛离指令，同时语音告警系统发出警告，告知地面人员远离无人机下方区域，然后完成抛离；
S32，应急弹射伞程序：当机载飞控子系统判定系留无人机姿态不可控时，立刻发出应急弹伞指令，使救援降落伞弹出，并关闭发动机或电机，通过救援降落伞使系留无人机缓慢落地，保证地面人员和设备安全。
7.根据权利要求6所述的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法，其特征在于，所述S25由所述两轴增稳机构完成，包括：
由两台步进电机分别控制第一旋转轴(21)和第二旋转轴(22)，使可控稳定喷射机构通过机载飞控子系统发出的控制信号控制两个旋转轴的旋转角度，从而对所述系留无人机(1)的两个方向的姿态控制调整从而达到精准喷射的目的；
当系留无人机(1)的姿态受到外界扰动导致俯仰角度和航向姿态变化时，两轴增稳机构通过机载飞控子系统自动控制，与系留无人机(1)的俯仰角度变化和航向姿态的变化完成相反方向的相同姿态角控制，使可控稳定喷射机构的喷射点位保持不变，完成稳定灭火。
8.根据权利要求6所述的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法，其特征在于，所述S31由舵机旋转机构完成，包括：
在机载飞控子系统的控制下，其中一个旋转舵机控制旋转锁紧结构(C)正反向旋转来锁紧和放开所述管缆系统的上下两个接头，另一个旋转舵机控制上下两个接头从旋转防拉脱机构中分离，最终完成两个接头的分离；当遇到突发情况时，机载飞控子系统发出舵机旋转指令，指令传到控制舵机后，舵机驱动舵机旋转机构旋转，在空中通过机载飞控子系统的飞控指令控制使接头自动脱开，并快速抛离系留无人机(1)上失稳的线缆和软管，使得所述系留无人机(1)回到稳定飞行状态。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求6-8所述的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求6-8所述的基于自平衡增稳式系留无人机的消防灭火系统的控制方法。
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