CN115857551A - 一种库区智能防控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种库区智能防控系统，包括无人机平台分系统、任务载荷分系统、中央控制分系统和通信分系统；无人机平台分系统搭载任务载荷分系统，无人机平台分系统包括两架无人机，其中一架无人机搭载高清可见光摄像机和红外热像仪用于广域巡逻侦察、火情初期预警及可疑目标快速搜索；另一架无人机搭载喊话器、抛投器、催泪弹、灭火弹等多种载荷用于实现处置功能，包括初期火源扑灭、闯入人员驱离打击。本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，成本低廉，具有定制规划路线飞行巡检功能；可快速搜索和发现仓库内初期火情及人员、车辆等目标；具有目标自动发现、敌我识别和标识、威胁判断功能；具备对仓库室外初期火源的快速灭火能力。

Description

一种库区智能防控系统

技术领域

本发明涉及易燃易爆或其他危险物品库区防控领域，尤其涉及一种库区智能防控系统。

背景技术

负责易燃易爆或其他危险物品的库区储存设施，大都占地面积大、人员数量少、值勤点位少、消防措施简单、安全管控难，且部分地处山区或边远地区、植被茂密，平时受技术安全管理、自然环境、人为因素的影响，时刻面临发生火灾、偷盗、燃爆、泄露等重大隐患风险，一旦发生这些事故，损失特别巨大，影响特别严重。目前此类库区安防手段主要是定点监控和人员巡逻，随着定点监控的现代化功能越来越多，在一定程度上减少了人员巡逻的压力，但对于较大库区，仍然存在一些问题：

1）定点监控位置相对较为固定，监控会存在一定死角，监控距离的调整和采集图像的清晰度受到一定的限制。

2）大部分监控仅仅停留于监视，将图像传输给值班人员，很少或者基本没有现场处置险情和可疑人员的情形，随着监控数量的增多，值班人员的工作量也会成倍增长，犯错误的概率也就大大增加。

3）人员巡逻最显著的一个缺点是容易出现较长空档期，在这个空档期内很容易出现问题并不能及时处置，尤其是区域面积较大的库区。

当前我国很多军事仓库的共性问题是，由于人员大幅压缩，正常的昼夜人工巡检很难得到保证；而高效的安全防护措施更是薄弱，亟需在技术防范、智能防控上寻求突破，实现由静态固定设置、只具备图像摄取功能的安防系统向动态定期自动巡检、险情发现与处置一体智能安全防控方向转变。本课题就是针对当前仓库这种迫切需求，适应国家智能化、无人化装备发展趋势，研制一种集库区巡检、险情监测、实时报警、高效处置等功能于一体的仓库无人智能安全防控系统，大幅提高仓库自主防控能力。该系统能沿固定路径或自主规划，实现不间断的巡检，能够自动避障；能及时发现可疑人物，并根据储存图像进行自动识别与报警；能及时发现微弱火源，在自主判别为意外火源基础上发送信号至监控室或进行自主灭火处理。

发明内容

本发明是针对现有技术所存在的不足，而提供了一种设备简单，成本低廉，具有定制规划路线飞行巡检功能；可快速搜索和发现仓库内初期火情及人员、车辆等目标；具有目标自动发现、敌我识别和标识、威胁判断功能；具备对仓库室外初期火源的快速灭火能力的库区智能防控系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种库区智能防控系统，包括无人机平台分系统、任务载荷分系统、中央控制分系统和通信分系统；

所述无人机平台分系统搭载所述任务载荷分系统构成无人机任务终端，无人机平台分系统包括两架无人机，其中一架所述无人机搭载高清可见光摄像机和红外热像仪用于广域巡逻侦察、火情初期预警及可疑目标快速搜索，构成巡逻无人机；

另一架所述无人机搭载喊话器、抛投器、催泪弹和灭火弹载荷用于实现处置功能，包括初期火源扑灭、闯入人员驱离打击，构成处置无人机；

所述中央控制分系统包括设置于地面的区域指挥中心；

所述通信分系统由设置于所述无人机、仓库建筑物和区域指挥中心的无线数传电台和通信光缆组成，所述仓库建筑物的无线数传电台为通信中继接收器，延长所述区域指挥中心对无人机的控制范围。

根据上述一种库区智能防控系统的工作方法，包括：

步骤1：在驻地区域，设置所述区域指挥中心，操控人员控制巡逻无人机起飞，按预先规划线路进行巡航，对沿途区域快速搜索；

步骤2：将所述仓库建筑物所在区域设置为作业区域，到达作业区域后，巡逻无人机自动接入该区域所述无线数传电台，与所述区域指挥中心进行数据与图像传输时利用所述仓库建筑物和区域指挥中心之间的通信光缆；

步骤3：巡逻无人机作业，采用“大范围普查+重点位置抵近详查”的方式，具体为，大范围普查时，巡逻无人机沿航线在目标区域搜索，实时记录并回传视频图像；

步骤4：对仓库建筑物进行巡检时，采取“重点位置抵近详查”的方式，巡逻无人机采取四边形航线或定点绕飞形式，对仓库建筑物进行全方位观察，通过光学变焦摄像机清晰分辨建筑物表面较大面积损坏信息，对于局部的裂纹、破损通过旋停方式进行抵近详细观察；

步骤5：若发现初期火情，系统可自动发出警示信息，通过挂载红外热像仪实时监测火势，并发出警报，提醒操作人员尽快采取处置措施；若发现人员闯入，操作人员根据实时图像快速判断威胁程度，按特情等级派出无人机处置或安排人员前往处置，同时，巡逻无人机保持盘旋或旋停监视，为后续处置提供引导支持；

步骤6：操控人员根据异常情况类型选择不同作业设备，控制处置无人机飞赴特情地点，处置无人机到达目标区域后自动接入该区域无线数传电台，通过摄像头实时回传现场信息，并进行针对性处置，包括可疑人员警告、驱离，扑灭初期火情；

步骤7：通过巡逻无人机获取的大范围图像信息对处置结果进行评估，若未达到预期效果，则处置无人机再次出动，巡逻无人机保持监视；若达到预期效果，则处置无人机撤回、巡逻无人机按计划继续执行任务。

进一步的，所述无人机包括机架，所述机架设置有动力系统和控制系统；

所述动力系统包括旋翼系统、动力装置、能源和电气装置；

所述控制系统包括飞控及电子设备、地面站设备和保障设备。

进一步的，所述旋翼系统采用六旋翼结构。

进一步的，所述机架采用全碳纤一体式机身结构。

进一步的，所述旋翼系统采用折叠式六旋翼结构。

进一步的，所述机架设置有可收放式起落架。

进一步的，所述无人机最大载重量达到11kg，空载最大续航时间达90min，选配差分GPS定位精度可达5cm。

无人机平台分系统是具有搭载侦察监视、目标识别与定位、目标优先级判断、储存传输、联动预警警示、灭火与非致命性打击等功能的多旋翼无人机平台。

任务载荷分系统采用模块化设计，包括目标探测识别模块和应急处置模块，能够对微弱火源有较强的探测与识别能力。目标探测识别模块具备侦察、探测、识别、定位、自动跟踪等功能。应急处置模块具备报警、非致命打击和消防处置等功能。消防与非致命打击负载是模块化配置，使用前进行挂载，中央控制台选择工作模式即可。综合缩短巡飞周期、增大监视范围与无人平台性能平衡等方面考虑，无人机飞行高度不低于40米，在此高度范围内，对火源的识别面积不小于0.2平方米，发现火源后可自动紧急调度就近的处置终端进行灭火处置。能快速识别各类目标，并进行抵近侦察，保持与目标一定距离，可使用非致命武器自主对目标进行警告，并将图像回传。多旋翼无人机携带处置终端在满载情况下重量小于5千克，巡航时间不低于60分钟，能迅速灭掉不大于2平方米的火源面积，并自动实时评估灭火情况，将图像和评估情况回传。

中央控制分系统是保证无人机任务终端自主执行任务和操作人员控制所有分系统的关键核心，即是系统的“大脑”，具有存储、计算、控制和通信等功能。中央控制分系统设施主要由液晶监视器、控制摇杆和高性能计算机组成，对无人机任务终端进行监视与控制。软件主要由综合控制系统和庞大的数据库系统组成。综合控制系统主要对多旋翼无人机任务终端所有功能进行控制，而数据库系统除了保障控制系统的正常功能以外，还作为任务终端探测识别目标的基础目标数据库。由人员使用综合控制系统软件对任务进行编程，更新任务终端自主处理程序。

通信分系统集成在中央控制分系统与无人机任务终端内部，是系统的“神经”，实现任务终端与中央控制分系统的不间断通信，每个具体通信功能的设备均由天线和信号处理模块组成。

为避免无人机任务终端进入通信盲区失联，根据具体情况，在距离中央控制分系统的适当位置设置通信中继接收器，数量足够覆盖整个区域无通信盲区，通信中继接收器与中央控制分系统之间采用通信光缆连接，以保证通信数据的可靠稳定。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单，成本低廉，能够满足在规定仓库面积范围内的单次续航飞行时间要求；具有定制规划路线飞行巡检功能；可快速搜索和发现仓库内初期火情及人员、车辆等目标；具有目标自动发现、敌我识别和标识、威胁判断功能；具备对仓库室外初期火源的快速灭火能力；能够对外来闯入人员实施跟踪、喊话、控制及非致命打击等任务；各分系统与中控台之间具有信息互联互通能力；能够实现昼夜巡检及处置能力；具有遭受攻击或失联状态下的数据自毁功能。

附图说明

图1为本发明智能防控系统任务流程示意图；

图2为本发明智能防控系统方案图；

图3为本发明智能防控系统组成图；

图4为本发明智能防控系统信息流转图；

图5为本发明无人机动力系统建模流程图；

图6为本发明无人机动力系统匹配部件流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

本实施例是一种库区智能防控系统，包括无人机平台分系统、任务载荷分系统、中央控制分系统和通信分系统；

无人机平台分系统搭载任务载荷分系统构成无人机任务终端，无人机平台分系统包括两架无人机，其中一架无人机搭载高清可见光摄像机和红外热像仪用于广域巡逻侦察、火情初期预警及可疑目标快速搜索，构成巡逻无人机；

另一架无人机搭载喊话器、抛投器、催泪弹和灭火弹载荷用于实现处置功能，包括初期火源扑灭、闯入人员驱离打击，构成处置无人机；

中央控制分系统包括设置于地面的区域指挥中心；

通信分系统由设置于无人机、仓库建筑物和区域指挥中心的无线数传电台和通信光缆组成，仓库建筑物的无线数传电台作为通信系统的中继通信节点，延长区域指挥中心对无人机的控制范围。

根据上述的一种库区智能防控系统的工作方法，如图1所示，包括：

步骤1：在驻地区域，设置区域指挥中心，区域中心设置有中央控制台，控制包括巡逻无人机和处置无人机在内的无人平台；

操控人员控制巡逻无人机起飞，按预先规划线路进行巡航，对沿途区域快速搜索；

步骤2：将仓库建筑物所在区域设置为作业区域，到达作业区域后，巡逻无人机自动接入该区域无线数传电台，与区域指挥中心进行数据与图像传输时利用仓库建筑物和区域指挥中心之间的通信光缆；

步骤3：巡逻无人机作业，采用“大范围普查+重点位置抵近详查”的方式，具体为，大范围普查时，巡逻无人机沿航线在目标区域搜索，实时记录并回传视频图像；

步骤4：对仓库建筑物进行巡检时，采取“重点位置抵近详查”的方式，巡逻无人机采取四边形航线或定点绕飞形式，对仓库建筑物进行全方位观察，通过光学变焦摄像机清晰分辨建筑物表面较大面积损坏信息，对于局部的裂纹、破损通过旋停方式进行抵近详细观察；

步骤5：若发现初期火情，系统可自动发出警示信息，通过挂载红外热像仪实时监测火势，并发出警报，提醒操作人员尽快采取处置措施；若发现人员闯入，操作人员根据实时图像快速判断威胁程度，按特情等级派出无人机处置或安排人员前往处置，同时，巡逻无人机保持盘旋或旋停监视，为后续处置提供引导支持；

步骤6：操控人员根据异常情况类型选择不同作业设备，控制处置无人机飞赴特情地点，处置无人机到达目标区域后自动接入该区域无线数传电台，通过摄像头实时回传现场信息，并进行针对性处置，包括可疑人员警告、驱离，扑灭初期火情；

步骤7：通过巡逻无人机获取的大范围图像信息对处置结果进行评估，若未达到预期效果，则处置无人机再次出动，巡逻无人机保持监视；若达到预期效果，则处置无人机撤回、巡逻无人机按计划继续执行任务。

由此，如图2所示，构成包括通信中继接收器在内的地面站与无人平台能实现的功能。

库区智能防控系统进一步的，无人机包括机架，机架设置有动力系统和控制系统；

动力系统包括旋翼系统、动力装置、能源和电气装置；

控制系统包括飞控及电子设备、地面站设备和保障设备。

进一步的，旋翼系统采用六旋翼结构。

进一步的，机架采用全碳纤一体式机身结构。

进一步的，旋翼系统采用折叠式六旋翼结构。

进一步的，机架设置有可收放式起落架。

进一步的，无人机最大载重量达到11kg，空载最大续航时间达90min，选配差分GPS定位精度可达5cm。

如图3所示，无人机平台分系统是具有搭载侦察监视、目标识别与定位、目标优先级判断、储存传输、联动预警警示、灭火与非致命性打击等功能的多旋翼无人机平台。

两种智能防控无人机，分别构成六旋翼巡逻无人机系统和六旋翼处置无人机系统。六旋翼巡逻无人机系统包括无人机平台、导航飞控分系统、测控链路分系统、任务载荷分系统和综合保障分系统。其中导航飞控分系统包括导航飞控计算机和差分定位模块；测控链路分系统包括测控数据链和便携式地面站；任务载荷分系统包括可见光摄像机和测温型红外热像仪；综合保障分系统包括储运包装箱和其它各附件。

六旋翼处置无人机系统包括无人机平台，还包括与六旋翼巡逻无人机系统链接的数据链，还携带有包括喊话器、抛投器、灭火弹和催泪弹的任务载荷，以及地面控制站包括有单屏地面站和双屏地面站，用于配合紧急事务处置。六旋翼处置无人机系统酌情配置六旋翼巡逻无人机系统的配置，如性能或有不同。如图4所示，六旋翼处置无人机与六旋翼巡逻无人机在工作时，与区域指挥中心的信息流转配合，两种智能防控无人机是互相补充和互相支持的。

如图5所示，根据需求功能进行无人机设计。按照无人机的各种状态进行相应的计算，如旋停、最大速度平飞等，在给定的一些约束条件下，如油门不大于0.9，可以得出每种状态的性能结果。

在无人机设计时，考虑到动力系统主要由螺旋桨、直流电机、电子调速器和电池组成，它们之间相互依存、互为整体，并且相互间的关系并不是简单的线性关系，为估算动力系统能否达到任务要求，分别对螺旋桨、直流电机、电子调速器和电池进行建模。

（1）螺旋桨建模。采用螺旋桨升力T和转矩M的计算公式：

1

2

其中，N（单位：转/每分钟）为螺旋桨转速，D_p（单位：m）为螺旋桨直径，ρ（单位：kg/m3）为空气密度，C_T和C_M为常数（与螺旋桨的工艺和材质有关）。

实验条件允许的情况下，可以通过测量的方式将常数C_T和C_M测出来。模型的正确性进行了比较验证，所得的模型结果与真实数据基本吻合。

（2）电机建模。目前，多旋翼无人机使用最多的是无刷直流电机，无刷直流电机有低干扰、噪音低、寿命长、转矩特性优异、效率高等优点。进行建模：

3

其中，U_m和I_m分别为电机的等效电压和等效电流，K_V0为电机标称空载KV值，U_m0为电机标称空载电压，I_m0为电机标称空载电流，R_m为电机内阻，M为螺旋桨转矩，N螺旋桨转速。

（3）电调建模。电子调速器的作用是将电池送来的电流电压转换成无刷电机工作三相交流信号。进行建模：

4

5

6

其中，σ为油门指令，U_m和I_m分别为电机的等效电压和等效电流，U_b、I_b和R_b分别为电池电压、电流和内阻，U_e、I_e和R_e分别是电子调速器的输入电压、输入电流和内阻。

（4）电池建模。电池的放电过程一般是非线性过程，但为了进行估算，现对电池模型进行简化，假设电池放电的剩余电量呈线性变化，即放电过程中，电池电压保持不变。采用公式进行建模：

7

8

其中，T_b（单位：min）为续航时间，C_b为电池容量，C_min为电池最小容量，一般为0.15Cb～0.20Cb，I_b为电池电流，K_b为电池最大放电倍率。

而后，根据建模数据设定约束，对能采购到的标准型号零部件进行选择。如图6所示，现有无人机的性能指标，如何得出相应的选型建议呢，既然直接逆向求解有困难，可以将这个问题交给计算机。已经通过性能求解模型仿真并调整参数得出了比较符合实际的模型。那我们可以通过性能需求初步确定动力系统中各部件的选型范围，进行组合并利用性能求解模型计算相应结果，在一些约束条件下或者是优化原则下，对性能需求进行匹配，匹配相似度最高的动力系统配置即是选型建议。

任务载荷分系统采用模块化设计，包括目标探测识别模块和应急处置模块，能够对微弱火源有较强的探测与识别能力。目标探测识别模块具备侦察、探测、识别、定位、自动跟踪等功能。应急处置模块具备报警、非致命打击和消防处置等功能。消防与非致命打击负载是模块化配置，使用前进行挂载，中央控制台选择工作模式即可。综合缩短巡飞周期、增大监视范围与无人平台性能平衡等方面考虑，无人机飞行高度不低于40米，在此高度范围内，对火源的识别面积不小于0.2平方米，发现火源后可自动紧急调度就近的处置终端进行灭火处置。能快速识别各类目标，并进行抵近侦察，保持与目标一定距离，可使用非致命武器自主对目标进行警告，并将图像回传。多旋翼无人机携带处置终端在满载情况下重量小于5千克，巡航时间不低于60分钟，能迅速灭掉不大于2平方米的火源面积，并自动实时评估灭火情况，将图像和评估情况回传。

中央控制分系统是保证无人机任务终端自主执行任务和操作人员控制所有分系统的关键核心，即是系统的“大脑”，具有存储、计算、控制和通信等功能。中央控制分系统设施主要由液晶监视器、控制摇杆和高性能计算机组成，对无人机任务终端进行监视与控制。软件主要由综合控制系统和庞大的数据库系统组成。综合控制系统主要对多旋翼无人机任务终端所有功能进行控制，而数据库系统除了保障控制系统的正常功能以外，还作为任务终端探测识别目标的基础目标数据库。由人员使用综合控制系统软件对任务进行编程，更新任务终端自主处理程序。

通信分系统集成在中央控制分系统与无人机任务终端内部，是系统的“神经”，实现任务终端与中央控制分系统的不间断通信，每个具体通信功能的设备均由天线和信号处理模块组成。

为避免无人机任务终端进入通信盲区失联，根据具体情况，在距离中央控制分系统的适当位置设置通信中继接收器，数量足够覆盖整个区域无通信盲区，通信中继接收器与中央控制分系统之间采用通信光缆连接，以保证通信数据的可靠稳定。

本发明未经描述的技术特征能够通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种库区智能防控系统，其特征在于，包括无人机平台分系统、任务载荷分系统、中央控制分系统和通信分系统；

所述无人机平台分系统搭载所述任务载荷分系统构成无人机任务终端，无人机平台分系统包括两架无人机，其中一架所述无人机搭载高清可见光摄像机和红外热像仪用于广域巡逻侦察、火情初期预警及可疑目标快速搜索，构成巡逻无人机；

另一架所述无人机搭载喊话器、抛投器、催泪弹和灭火弹载荷用于实现处置功能，包括初期火源扑灭、闯入人员驱离打击，构成处置无人机；

所述中央控制分系统包括设置于地面的区域指挥中心；

所述通信分系统由设置于所述无人机、仓库建筑物和区域指挥中心的无线数传电台和通信光缆组成，所述仓库建筑物的无线数传电台为通信中继接收器，延长所述区域指挥中心对无人机的控制范围。

2.根据权利要求1所述的一种库区智能防控系统的工作方法，其特征在于，包括：

步骤1：在驻地区域，设置所述区域指挥中心，操控人员控制巡逻无人机起飞，按预先规划线路进行巡航，对沿途区域快速搜索；

步骤2：将所述仓库建筑物所在区域设置为作业区域，到达作业区域后，巡逻无人机自动接入该区域所述无线数传电台，与所述区域指挥中心进行数据与图像传输时利用所述仓库建筑物和区域指挥中心之间的通信光缆；

步骤3：巡逻无人机作业，采用“大范围普查+重点位置抵近详查”的方式，具体为，大范围普查时，巡逻无人机沿航线在目标区域搜索，实时记录并回传视频图像；

步骤4：对仓库建筑物进行巡检时，采取“重点位置抵近详查”的方式，巡逻无人机采取四边形航线或定点绕飞形式，对仓库建筑物进行全方位观察，通过光学变焦摄像机清晰分辨建筑物表面较大面积损坏信息，对于局部的裂纹、破损通过旋停方式进行抵近详细观察；

步骤5：若发现初期火情，系统可自动发出警示信息，通过挂载红外热像仪实时监测火势，并发出警报，提醒操作人员尽快采取处置措施；若发现人员闯入，操作人员根据实时图像快速判断威胁程度，按特情等级派出无人机处置或安排人员前往处置，同时，巡逻无人机保持盘旋或旋停监视，为后续处置提供引导支持；

步骤6：操控人员根据异常情况类型选择不同作业设备，控制处置无人机飞赴特情地点，处置无人机到达目标区域后自动接入该区域无线数传电台，通过摄像头实时回传现场信息，并进行针对性处置，包括可疑人员警告、驱离，扑灭初期火情；

步骤7：通过巡逻无人机获取的大范围图像信息对处置结果进行评估，若未达到预期效果，则处置无人机再次出动，巡逻无人机保持监视；若达到预期效果，则处置无人机撤回、巡逻无人机按计划继续执行任务。

3.根据权利要求1所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述无人机包括机架，所述机架设置有动力系统和控制系统；

所述动力系统包括旋翼系统、动力装置、能源和电气装置；

所述控制系统包括飞控及电子设备、地面站设备和保障设备。

4.根据权利要求3所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述旋翼系统采用六旋翼结构。

5.根据权利要求3所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述机架采用全碳纤一体式机身结构。

6.根据权利要求4所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述旋翼系统采用折叠式六旋翼结构。

7.根据权利要求3所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述机架设置有可收放式起落架。

8.根据权利要求3所述的一种库区智能防控系统，其特征在于，所述无人机最大载重量达到11kg，空载最大续航时间达90min，选配差分GPS定位精度可达5cm。

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