CN116510220B - 一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，涉及消防灭火技术领域，包括无人机用于采集火灾信息；流体控制装置包括火焰预测模块和流体控制模块；火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型采用基本守恒方程组与火焰受力分析预测火焰位置；流体控制模块由无人机和火焰预测模块提供的信息控制灭火所需要灭火剂的喷射参数；流体储存装置由储罐组成，用于存储灭火剂；流体喷射装置由阀门、喷嘴、压力泵、流速计组成，阀门用于控制灭火剂的流量，喷嘴用于将灭火剂喷射到火灾现场，压力泵用于提供喷射所需的压力，流速计测量喷嘴处灭火剂流速，本发明通过预测火焰位置和精确控制灭火液体喷射流量和时间，提高灭火效率。

Description

一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统
技术领域
本发明涉及消防灭火技术领域，尤其涉及一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统。
背景技术
随着城市化进程的加速和建筑高度的不断增加，高层建筑火灾的发生频率也不断提高。传统的灭火方法往往存在着灭火难度大、灭火时间长、灭火效果不佳等问题，而无人机灭火技术的出现为高层建筑火灾的灭火带来了新的解决方案。
目前市场上已经存在一些无人机灭火设备，但是它们存在着灭火效率低、流量控制不精确等问题。
如申请公开号为CN110329509A的中国专利公开了一种高层建筑消防无人机的灭火弹瞄准发控系统及控制方法，该高层建筑消防无人机的灭火弹瞄准发控系统包括空中发射平台、地面手机控制终端和地面无线信号发射器。地面手机控制终端与所述空中发射平台中的单片机通讯连接；地面无线信号发射器为该灭火弹瞄准发控系统提供wifi信号；空中发射平台包括单片机、激光测距传感器和摄像头，该摄像头的信号输出端与所述单片机上的图像信号输入端连通。具有瞄准精度高，操作简单的特点。
但是由于火灾的蔓延趋势不受人为控制，现有技术无法针对火焰的蔓延趋势进行预测并根据火焰预测实现定量灭火喷射，从而针对火灾进行快速、精准灭火。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
无人机，用于采集火灾信息；
流体控制装置，包括火焰预测模块和流体控制模块；
火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型，在高层建筑火灾模型中采用基本守恒方程组并通过火焰受力分析计算来预测火焰位置；流体控制模块由无人机和火焰预测模块提供的信息控制灭火所需要灭火剂的喷射参数；
其中，火焰预测模块由基本守恒方程组得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，接着通过对火焰的受力分析获取火焰加速度，然后通过欧拉方法得到火焰变加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数确定火焰在空间中的位置；
流体储存装置，由储罐组成，用于存储灭火剂；
其中，储罐中设置压力传感器实时监测灭火剂的储存容量，将检测情况输入到流体控制模块；
流体喷射装置，由阀门、喷嘴、压力泵、流速计组成，实现对储罐的控制；通过阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力，灭火剂由喷嘴喷出；
其中，设置流速计用于测量灭火剂喷射流速，喷嘴中设置温度传感器实时监测喷射时灭火剂的温度，流体控制模块通过流体喷射装置控制流体储存装置中灭火剂的喷射量和喷射时间。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：无人机通过设置温度传感器采集火灾现场的温度、通过设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、通过设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态、通过摄像头获取火灾形状和喷嘴到火源的距离和高度以及通过设置风速计测量火灾中不同位置风速和气流运动情况。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：火焰预测模块通过无人机获得火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态、不同位置风速参数构建高层建筑火灾模型。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：构建高层建筑火灾模型方法如下：
利用BIM软件建立起高层建筑三维模型；
将无人机获得火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态、不同位置风速、气流运动情况和高层建筑三维模型导入到火灾模拟软件Pyrosim软件中；
在Pyrosim软件中对导入的高层建筑三维模型保留，再在Pyrosim软件中调整火源位置、形状、大小、燃烧物种类、质量参数并添加消防设备和消防管道信息，建立高层建筑火灾模型；
提前设定好最不利的火源发生位置，在Pyrosim软件中确定模拟火灾的热释放速率和火灾模拟时长参数；
将高层建筑火灾模型进行火灾仿真模拟来得到热辐射强度、火焰密度、火焰的初始位置、火焰初始速度、火焰中风场的面积、风场的升力系数、阻力系数以及火焰质量的参数信息。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：基本守恒方程组通过高层建筑火灾模型得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，方法如下：
基本守恒方程组包括火焰质量守恒方程、火焰动量守恒方程；
火焰质量守恒方程表达式如下：
；
其中，为火焰密度，/>为火焰燃烧速度，/>为微分散度，/>为单位时间内质量的变化值，/>为火焰燃烧时间；
火焰动量守恒方程表达式如下：
；
；
其中，为火焰的运动速度，/>为火焰燃烧时间，/>为火焰密度，/>为重力加速度，为微分散度，/>为火焰在不同位置和时间的速度变化值，/>为火焰燃烧加速度；
为单位体积内质量的变化值，/>为其他外力，/>为单位面积上的力。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：火焰受力分析如下：
火焰在传播的过程中受到气流、风力和重力的影响，火焰在风场中受到水平方向的风力、和风力相反的阻力以及火焰在不同粒子作用下的合力，由于粒子向下运动，所以火焰在不同粒子作用下的合力方向为侧向下；
由于力是有方向的，所以将火焰受到的各个力进行矢量化表达，火焰受到的合力的表达式如下：
；
其中，为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力；
火焰重力计算公式为/>；
水平方向的风力计算公式为/>；
和风力相反的阻力计算公式为/>；
其中，为火焰质量，/>为重力加速度，/>为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度，/>阻力系数和/>升力系数通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>迎风面积通过不同位置的风速计所测风速代入模型中得到；
为火焰在不同粒子作用下的合力，通过对火焰受到的合力平衡分析，把火焰在不同粒子作用下的合力/>进行水平和垂直方向上分解，将水平和垂直方向上的分量相加得到。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：通过对火焰进行受力分析得到火焰加速度，接着通过欧拉方法得到火焰加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数来预测火焰位置，方法如下：
火焰受到的合力得到的火焰加速度/>表达式如下：
；
其中，为火焰加速度，/>为火焰受到的合力，/>为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力，/>为火焰质量，为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度；
火焰中受到的合力中风力是随时间不断变化的，火焰的运动为变加速度运动，通过对火焰的变加速度运动采用欧拉积分方法得到火焰位置，方法如下：
火焰的变加速度运动通过欧拉积分描述为：
；
；
其中，是火焰的空间位置，/>为火焰燃烧时间，/>是火焰初始位置，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>是火焰燃烧速度，通过基本守恒方程组获得，/>是火焰初始速度，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>为火焰加速度。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：流体控制装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射量，表达式如下：
；
其中，表示喷射量，/>表示喷嘴的截面积，/>为灭火剂喷射流速。
作为本发明所述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统的一种优选方案，其中：流体控制装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射时间，表达式如下：
；
其中，表示喷射时间，/>表示喷射量，/>表示单位时间内灭火剂喷射出的体积，表示为热辐射功率；
单位时间内灭火剂喷射出的体积通过储罐中设置的压力传感器实时监测灭火剂的储存容量获取；
其中，热辐射功率的计算公式如下：
；
其中，表示热辐射功率，/>表示喷嘴距离着火目标的水平距离，/>表示热辐射强度。
一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法，包括以下步骤：
S1、连接高楼灭火无人机的灭火器流体控制系统的无人机、流体控制装置、流体储存装置、流体喷射装置；
S2、启动无人机并将其悬停在离火灾现场一定距离的位置上；
S3、通过在无人机上设置温度传感器采集火灾现场的温度、设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态；
S4、通过无人机的摄像头获取火灾形状和喷射器到火源的距离和高度，并利用图像处理技术得到喷射器到火源的准确距离和高度；
S5、使用火焰预测模块，通过无人机采集的火灾信息和构建高层建筑火灾模型预测火焰位置；
S6、根据火焰预测模块提供的信息，流体控制模块通过流体喷射装置来控制流体储存装置的灭火剂的喷射量和喷射时间；
S7、根据储罐的容量和液位信息，流体控制模块进行喷射控制；
S8、利用阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力；
S9、灭火剂由喷嘴喷出，通过无人机进行控制。
一种计算机设备，包括存储器，用于存储指令；处理器，用于执行所述指令，使得设备执行实现一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时，实现一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
本发明的有益效果：本发明通过无人机、流体控制装置、流体储存装置、流体喷射装置，利用无人机采集高层建筑火灾信息，流体控制装置包括火焰预测模块和流体控制模块，火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型，预测火焰位置和得到火灾信息；流体控制模块根据火焰预测模块的预测结果，控制流体喷射装置的喷射量、和喷射时间；流体储存装置用于存储灭火液体流体；喷射装置通过阀门控制灭火器开关，压力泵用于提供喷射所需的压力，最后灭火液体由喷嘴喷出；实现精确控制喷射流量和喷射时间，提高灭火效率，同时减少灭火剂的浪费，同时无人机的使用也大大提高了灭火的安全性和效率，减少了人员伤亡和损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1所示为一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统整体结构示意图。
图2所示为一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法流程示意图。
图3所示为一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统中对火焰受力分析示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细地说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例1
本实施例介绍一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体控制方法，包括：
S1、连接高楼灭火无人机的灭火器流体控制系统的无人机、流体控制装置、流体储存装置、流体喷射装置；
确保连接正确，避免出现接线错误导致系统无法正常工作；
S2、启动无人机并将其悬停在离火灾现场一定距离的位置上；
启动无人机之前需要检查其状态和电量，确保无人机能够正常悬停在离火灾现场一定距离的位置上；
S3、无人机通过设置温度传感器采集火灾现场的温度、通过设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、通过设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态、通过摄像头获取火灾形状和喷嘴到火源的距离和高度以及通过设置风速计测量火灾中不同位置风速和气流运动情况。
S4、通过无人机的摄像头获取实时火灾形状和喷射器到火源的距离和高度，并利用图像处理技术得到喷射器到火源的准确距离和高度；
S5、使用火焰预测模块，通过无人机采集的实时火灾形状、火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态和不同位置风速构建高层建筑火灾模型并在高层建筑火灾模型中采用基本守恒方程组并通过火焰受力分析计算来预测火焰位置；
构建高层建筑火灾模型方法：利用BIM软件建立起高层建筑三维模型；接着将无人机获得火灾现场的温度、烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、GPS和惯性导航系统获取自身的位置、姿势状态、火灾形状参数以及高层建筑三维模型导入到火灾模拟软件Pyrosim中；最后在Pyrosim软件中对导入的高层建筑三维模型保留，然后在Pyrosim软件中调整火源位置、形状、大小、持续时间、燃烧物种类、质量参数并添加消防设备和消防管道信息，建立高层建筑火灾模型；
构建高层建筑火灾模型预测火焰位置时，在Pyrosim中考虑火灾的扩散规律和建筑物的结构特点，并及时调整参数设置；
将高层建筑火灾模型进行火灾仿真模拟来得到热辐射强度、火焰密度、火焰的初始位置、火焰初始速度、火焰中风场的面积、风场的升力系数、阻力系数以及火焰质量的参数信息。
基本守恒方程通过高层建筑火灾模型得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，方法如下：
基本守恒方程组包括火焰质量守恒方程、火焰动量守恒方程；
火焰质量守恒方程表达式如下：
；
其中，为火焰密度，/>为火焰燃烧速度，/>为微分散度，/>为单位时间内质量的变化值，/>为火焰燃烧时间；
火焰动量守恒方程表达式如下：
；
；
其中，为火焰的运动速度，/>为火焰燃烧时间，/>为火焰密度，/>为重力加速度，为微分散度，/>为火焰在不同位置和时间的速度变化值，/>为火焰燃烧加速度；
为单位体积内质量的变化值，/>为其他外力，/>为单位面积上的力。
然后再通过火焰受力分析获得火焰加速度然后通过欧拉方法获得火焰变加速度预测火焰位置，火焰受力分析如下：
火焰在传播的过程中受到气流、风力和重力的影响，火焰在风场中受到水平方向的风力、和风力相反的阻力以及火焰在不同粒子作用下的合力，由于粒子向下运动，所以火焰在不同粒子作用下的合力方向为侧向下；
由于力是有方向的，所以将火焰受到的各个力进行矢量化表达，火焰受到的合力的表达式如下：
；
其中，为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力；
火焰重力计算公式为/>；
水平方向的风力计算公式为/>；
和风力相反的阻力计算公式为/>；
为火焰在不同粒子作用下的合力，通过对火焰受到的合力平衡分析，把火焰在不同粒子作用下的合力/>进行水平和垂直方向上分解，将水平和垂直方向上的分量相加得到。
通过对火焰进行受力分析得到火焰加速度，接着通过欧拉方法得到火焰加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数来预测火焰位置，方法如下：
火焰受到的合力得到的火焰加速度/>表达式如下：
；
其中，为火焰加速度，/>为火焰受到的合力，/>为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力，/>为火焰质量，为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度；
火焰中受到的合力中风力是随时间不断变化的，火焰的运动为变加速度运动，通过对火焰的变加速度运动采用欧拉积分方法得到火焰位置，方法如下：
火焰的变加速度运动通过欧拉积分描述为：
；
；
其中，是火焰的空间位置，/>为火焰燃烧时间，/>是火焰初始位置，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>是火焰燃烧速度，通过基本守恒方程组获得，/>是火焰初始速度，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>为火焰加速度。
S6、根据火焰预测模块提供的信息，流体控制模块通过流体喷射装置来控制流体储存装置的灭火剂的喷射量和喷射时间；
流体储存装置通过流体喷射装置喷出灭火剂的喷射量计算公式如下：
；
其中，表示喷射量，/>表示喷嘴的截面积，/>为灭火剂喷射流速，通过喷嘴处流速计获得。
流体喷射装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射时间，表达式如下：
；
其中，表示喷射时间，/>表示喷射量，/>表示单位时间内灭火剂喷射出的体积，表示为热辐射功率；
单位时间内灭火剂喷射出的体积通过储罐中设置的压力传感器实时监测灭火剂的储存容量获取；
其中，热辐射功率的计算公式如下：
；
其中，表示热辐射功率，/>表示喷嘴距离着火目标的水平距离，/>表示热辐射强度。
S7、根据储罐的容量和液位信息，流体控制模块进行喷射控制；设置压力传感器实时监测液体的储存情况。
S8、流体喷射装置中利用阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力；
流体喷射装置中利用阀门控制灭火器开关时，确保阀门的可靠性和稳定性，避免开关不灵或失灵导致喷射不准确或喷射时间不足。
流体喷射装置中的喷嘴中设置温度传感器实时监测喷射流体的温度。
S9、灭火剂由喷嘴喷出，通过无人机进行控制实现灭火作用；
灭火剂由喷嘴喷出时，确保喷嘴的清洁度和稳定性，避免堵塞或损坏导致喷射不畅或不准确。
在喷射过程中，不断监测火灾现场的状况，调整喷射量和喷射
时间，以达到最佳的灭火效果，也需要对喷射效果进行反馈和评估，不断优化控制策略，提高灭火效率。
实施例2
本实施例介绍一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，包括：
无人机，用于采集火灾信息；
流体控制装置，包括火焰预测模块和流体控制模块；
火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型，在高层建筑火灾模型中采用基本守恒方程组并通过火焰受力分析计算来预测火焰位置；流体控制模块由无人机和火焰预测模块提供的信息控制灭火所需要灭火剂的喷射参数；
其中，火焰预测模块由基本守恒方程组得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，接着通过对火焰的受力分析获取火焰加速度，然后通过欧拉方法得到火焰变加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数确定火焰在空间中的位置；
流体储存装置，由储罐组成，用于存储灭火剂；
其中，储罐中设置压力传感器实时监测灭火剂的储存容量，将检测情况输入到流体控制模块；
流体喷射装置，由阀门、喷嘴、流速计、压力泵组成，实现对储罐的控制；通过阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力，灭火剂由喷嘴喷出；
其中，流速计用于测量灭火剂喷射流速，喷嘴中设置温度传感器实时监测喷射时灭火剂的温度，流体控制模块通过流体喷射装置控制流体储存装置中灭火剂的喷射量和喷射时间。
上述各模块的具体功能实现参考实施例1方法中的相关内容，不予赘述，特别指出的是：无人机通过设置温度传感器采集火灾现场的温度、通过设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、通过设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态、通过摄像头获取火灾形状和喷嘴到火源的距离和高度以及通过设置风速计测量火灾中不同位置风速和气流运动情况。
然后再将无人机与充电设备相连，实现自主充电，提高无人机的工作时间和效率。
火焰预测模块通过无人机获得火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态、不同位置风速参数构建高层建筑火灾模型。
构建高层建筑火灾模型预测火焰位置，方法如下：
首先利用BIM软件建立起高层建筑三维模型；接着将无人机获得火灾现场的温度、烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、GPS和惯性导航系统获取自身的位置、姿势状态、火灾形状参数以及高层建筑三维模型导入到火灾模拟软件Pyrosim中；最后在Pyrosim软件中对导入的高层建筑三维模型保留，然后在Pyrosim软件中调整火源位置、形状、大小、持续时间、燃烧物种类、质量参数并添加消防设备和消防管道信息，建立高层建筑火灾模型；
然后提前设定好最不利的火源发生位置，在Pyrosim软件中确定模拟火灾的热释放速率和火灾模拟时长参数，将高层建筑火灾模型进行火灾仿真模拟来得到热辐射强度、火焰密度、火焰的初始位置、火焰初始速度、火焰中风场的面积、风场的升力系数、阻力系数以及火焰质量参数信息。
基本守恒方程组通过高层建筑火灾模型得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，方法如下：
基本守恒方程组包括火焰质量守恒方程、火焰动量守恒方程；
火焰质量守恒方程表达式如下：
；
其中，为火焰密度，/>为火焰燃烧速度，/>为微分散度，/>为单位时间内质量的变化值，/>为火焰燃烧时间；
火焰动量守恒方程表达式如下：
；
；
其中，为火焰的运动速度，/>为火焰燃烧时间，/>为火焰密度，/>为重力加速度，为微分散度，/>为火焰在不同位置和时间的速度变化值，/>为火焰燃烧加速度；
为单位体积内质量的变化值，/>为其他外力，/>为单位面积上的力。
其他外力包括气体流动、外部电磁干扰和自身重力影响构成；
通过基本守恒方程组得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间/>然后采用对火焰的受力分析得到火焰加速度再通过欧拉方法得到变加速度预测火焰位置，方法如下：
火焰受力分析如图2，具体分析如下：
火焰在传播的过程中受到气流、风力和重力的影响，火焰在风场中受到水平方向的风力、和风力相反的阻力以及火焰在不同粒子作用下的合力，由于粒子向下运动，所以火焰在不同粒子作用下的合力方向为侧向下；
由于力是有方向的，所以将火焰受到的各个力进行矢量化表达，火焰受到的合力的表达式如下：
；
其中，为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力；
火焰重力计算公式为/>；
水平方向的风力计算公式为/>；
和风力相反的阻力计算公式为/>；
其中，为火焰质量，/>为重力加速度，/>为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度，/>阻力系数和/>升力系数通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>迎风面积通过不同位置的风速计所测风速代入模型中得到；
为火焰在不同粒子作用下的合力，通过对火焰受到的合力平衡分析，把火焰在不同粒子作用下的合力/>进行水平和垂直方向上分解，将水平和垂直方向上的分量相加得到。
为火焰在不同粒子作用下的合力，令/>，/>，/>为火焰在不同粒子作用下的合力/>的方向夹角，由于火焰中粒子都是向下运动，所/>>180，/>>180，/>>180；
火焰受到的合力得到的火焰加速度/>表达式如下：
；
其中，为火焰加速度，/>为火焰受到的合力，/>为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力，/>为火焰质量，为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度；
火焰中受到的合力中风力是随时间不断变化的，火焰的运动为变加速度运动，通过对火焰的变加速度运动采用欧拉积分方法得到火焰位置，方法如下：
火焰的变加速度运动通过欧拉积分描述为：
；
；
其中，是火焰的空间位置，/>为火焰燃烧时间，/>是火焰初始位置，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>是火焰燃烧速度，通过基本守恒方程组获得，/>是火焰初始速度，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>为火焰加速度。
关于火焰位置具体求解过程如下：
令火焰初始速度的方向夹角为（/>），为了便于计算，将欧拉积分变换的火焰变加速度展开：
其中，为火焰沿/>轴方向的速度，/>为火焰沿/>轴方向的速度/>为火焰沿/>轴方向的速度，/>为火焰初始速度，/>为火焰燃烧速度沿/>轴的方向角，/>为火焰燃烧速度沿/>轴的方向角，/>为火焰燃烧速度沿/>轴的方向角，/>为火焰在不同粒子作用下的合力方向夹角，/>为火焰燃烧时间；
火焰空间位置各坐标轴位置如下：
火焰位置如下：；
然后将无人机获取的火灾信息和火焰位置输入流体控制模块，通过计算得到灭火剂的喷射时间、喷射量方法如下：
流体储存装置通过流体喷射装置喷出灭火剂的喷射量计算公式如下：
；
其中，表示喷射量，/>表示喷嘴的截面积，/>为灭火剂喷射流速。
流体喷射装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射时间，表达式如下：
；
其中，表示喷射时间，/>表示喷射量，/>表示单位时间内灭火剂喷射出的体积，表示为热辐射功率；
单位时间内灭火剂喷射出的体积通过储罐中设置的压力传感器实时监测灭火剂的储存容量获取；
其中，热辐射功率的计算公式如下：
；
其中，表示热辐射功率，/>表示喷嘴距离着火目标的水平距离，/>表示热辐射强度。
其中，流体控制模块通过对火焰变化的实时监测和分析，自适应调整喷射量和喷射时间，提高灭火效率和准确性，方法如下：
S21、通过无人机搭载的温度传感器、烟雾传感器实时采集火灾的温度、烟雾浓度等参数，获取火焰变化的数据。
S22、对采集到的火焰变化的数据进行预处理，包括数据清洗、去噪、滤波等操作消除数据中的噪声和异常值，提高数据质量和准确性。
S23、对预处理后的数据进行特征提取，包括火焰的大小、形状、位置、发展速度等特征，描述火焰的变化趋势和特征。
S24、将特征提取后的数据传输到流体控制模块，根据火焰预测模块的火焰位置进行数据分析和处理。
S25、根据数据分析结果，实时确定灭火剂的喷射量和喷射时间，以达到最佳的灭火效果。
S26、通过流体喷射装置中的阀门、喷嘴、流速计、压力泵组件，实现对灭火剂的精准控制。
S27、根据实际灭火效果，进行反馈调整，不断优化火焰预测模块中的高层建筑火灾模型来自适应控制，提高灭火效率和准确性。
通过以上步骤，实现对火焰数据的分析和处理，实时提取有用信息，为自适应控制提供支持，提高灭火效果。
所述流体储存装置中的储罐，设置压力传感器实时监测液体的储存情况。
其中，流体储存装置中增加多个储罐并携带液体灭火剂与气体灭火剂，实现不同种类灭火剂的混合使用，提高灭火效率、节约能源和提高灭火效果。
其中，流体喷射装置增加多个喷嘴，实现多点喷射，提高灭火覆盖面积和效率。
实施例3
本实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令，所述处理器用于执行所述指令，使得所述设备执行实现上述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
实施例4
提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时，计算机程序被处理器执行时实现上述一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上实施例，本发明通过无人机、流体控制装置、流体储存装置、流体喷射装置，利用无人机采集高层建筑火灾信息，流体控制装置包括火焰预测模块和流体控制模块，火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型，预测火焰位置和得到火灾信息；流体控制模块根据火焰预测模块的预测结果，控制流体喷射装置的喷射量、和喷射时间；流体储存装置用于存储灭火液体流体；喷射装置通过阀门控制灭火器开关，压力泵用于提供喷射所需的压力，最后灭火液体由喷嘴喷出；实现精确控制喷射流量和喷射时间，提高灭火效率，同时减少灭火剂的浪费，同时无人机的使用也大大提高了灭火的安全性和效率，减少了人员伤亡和损失。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、系统和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程以及流程图中的流程的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：包括，无人机，用于采集火灾信息；
流体控制装置，包括火焰预测模块和流体控制模块；
火焰预测模块通过构建高层建筑火灾模型，在高层建筑火灾模型中采用基本守恒方程组并通过火焰受力分析计算来预测火焰位置；流体控制模块由无人机和火焰预测模块提供的信息控制灭火所需要灭火剂的喷射参数；
其中，火焰预测模块由基本守恒方程组得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，接着通过对火焰的受力分析获取火焰加速度，然后通过欧拉方法得到火焰变加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数确定火焰在空间中的位置；
其中，通过对火焰的受力分析获取火焰加速度，然后通过欧拉方法得到火焰变加速度，方法如下：
火焰受力分析如下：
火焰在传播的过程中受到气流、风力和重力的影响，火焰在风场中受到水平方向的风力、和风力相反的阻力以及火焰在不同粒子作用下的合力，由于粒子向下运动，所以火焰在不同粒子作用下的合力方向为侧向下；
由于力是有方向的，所以将火焰受到的各个力进行矢量化表达，火焰受到的合力的表达式如下：
；
其中，为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力；
火焰重力计算公式为/>；
水平方向的风力计算公式为/>；
和风力相反的阻力计算公式为/>；
其中，为火焰质量，/>为重力加速度，/>为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，表示迎风面积，/>为空气密度，/>阻力系数和/>升力系数通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>迎风面积通过不同位置的风速计所测风速代入模型中得到；
为火焰在不同粒子作用下的合力，通过对火焰受到的合力平衡分析，把火焰在不同粒子作用下的合力/>进行水平和垂直方向上分解，将水平和垂直方向上的分量相加得到；
通过对火焰进行受力分析得到火焰加速度，接着通过欧拉方法得到火焰加速度，并采用基本守恒方程组得到的火焰燃烧速度和火焰燃烧时间参数来预测火焰位置，方法如下：
火焰受到的合力得到的火焰加速度/>表达式如下：
；
其中，为火焰加速度，/>为火焰受到的合力，/>为火焰重力，/>为水平方向的风力，/>为和风力相反的阻力，/>为火焰在不同粒子作用下的合力，/>为火焰质量，/>为风速，/>为阻力系数，/>为升力系数，/>表示迎风面积，/>为空气密度；
火焰中受到的合力中风力是随时间不断变化的，火焰的运动为变加速度运动，通过对火焰的变加速度运动采用欧拉积分方法得到火焰位置，方法如下：
火焰的变加速度运动通过欧拉积分描述为：
；
；
其中，是火焰的空间位置，/>为火焰燃烧时间，/>是火焰初始位置，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>是火焰燃烧速度，通过基本守恒方程组获得，/>是火焰初始速度，通过高层建筑火灾模型仿真过程中得到，/>为火焰加速度；
流体储存装置，由储罐组成，用于存储灭火剂；
其中，储罐中设置压力传感器实时监测灭火剂的储存容量，将检测情况输入到流体控制模块；
流体喷射装置，由阀门、喷嘴、压力泵、流速计组成，实现对储罐的控制；通过阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力，灭火剂由喷嘴喷出；
其中，设置流速计用于测量灭火剂喷射流速，喷嘴中设置温度传感器实时监测喷射时灭火剂的温度，流体控制模块通过流体喷射装置控制流体储存装置中灭火剂的喷射量和喷射时间。
2.如权利要求1所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述无人机通过设置温度传感器采集火灾现场的温度、通过设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、通过设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态、通过摄像头获取火灾形状和喷嘴到火源的距离和高度以及通过设置风速计测量火灾中不同位置风速和气流运动情况。
3.如权利要求2所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述火焰预测模块通过无人机获得火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态、不同位置风速参数构建高层建筑火灾模型。
4.如权利要求3所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述构建高层建筑火灾模型方法如下：
利用BIM软件建立起高层建筑三维模型；
将无人机获得火灾现场的温度、烟雾浓度、自身的位置、姿势状态、不同位置风速、气流运动情况和高层建筑三维模型导入到火灾模拟软件Pyrosim软件中；
在Pyrosim软件中对导入的高层建筑三维模型保留，再在Pyrosim软件中调整火源位置、形状、大小、燃烧物种类、质量参数并添加消防设备和消防管道信息，建立高层建筑火灾模型；
提前设定好最不利的火源发生位置，在Pyrosim软件中确定模拟火灾的热释放速率和火灾模拟时长参数；
将高层建筑火灾模型进行火灾仿真模拟来得到热辐射强度、火焰密度、火焰的初始位置、火焰初始速度、火焰中风场的面积、风场的升力系数、阻力系数以及火焰质量的参数信息。
5.如权利要求4所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述基本守恒方程组通过高层建筑火灾模型得到火焰燃烧速度和火焰燃烧时间，方法如下：
基本守恒方程组包括火焰质量守恒方程、火焰动量守恒方程；
火焰质量守恒方程表达式如下：
；
其中，为火焰密度，/>为火焰燃烧速度，/>为微分散度，/>为单位时间内质量的变化值，/>为火焰燃烧时间；
火焰动量守恒方程表达式如下：
；
；
其中，为火焰的运动速度，/>为火焰燃烧时间，/>为火焰密度，/>为重力加速度，/>为微分散度，/>为火焰在不同位置和时间的速度变化值，/>为火焰燃烧加速度；
为单位体积内质量的变化值，/>为其他外力，/>为单位面积上的力。
6.如权利要求5所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述流体控制装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射量，表达式如下：
；
其中，表示喷射量，/>表示喷嘴的截面积，/>为灭火剂喷射流速。
7.如权利要求6所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统，其特征在于：所述流体控制装置控制流体储存装置中储罐内灭火剂的喷射时间，表达式如下：
；
其中，表示喷射时间，/>表示喷射量，/>表示单位时间内灭火剂喷射出的体积，/>表示为热辐射功率；
单位时间内灭火剂喷射出的体积通过储罐中设置的压力传感器实时监测灭火剂的储存容量获取；
其中，热辐射功率的计算公式如下：
；
其中，表示热辐射功率，/>表示喷嘴距离着火目标的水平距离，/>表示热辐射强度。
8.一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法，基于权利要求1~7任一项所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制系统实现，其特征在于：包括以下步骤：
S1、连接高楼灭火无人机的灭火器流体控制系统的无人机、流体控制装置、流体储存装置、流体喷射装置；
S2、启动无人机并将其悬停在离火灾现场一定距离的位置上；
S3、通过在无人机上设置温度传感器采集火灾现场的温度、设置烟雾传感器采集火灾现场的烟雾浓度、设置GPS和惯性导航系统获取自身的位置和姿势状态；
S4、通过无人机的摄像头获取火灾形状和喷射器到火源的距离和高度，并利用图像处理技术得到喷射器到火源的准确距离和高度；
S5、使用火焰预测模块，通过无人机采集的火灾信息和构建高层建筑火灾模型预测火焰位置；
S6、根据火焰预测模块提供的信息，流体控制模块通过流体喷射装置来控制流体储存装置的灭火剂的喷射量和喷射时间；
S7、根据储罐的容量和液位信息，流体控制模块进行喷射控制；
S8、利用阀门控制灭火器开关，然后通过压力泵向储罐施加足够压力；
S9、灭火剂由喷嘴喷出，通过无人机进行控制。
9.一种计算机设备，其特征在于：包括，
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现如权利要求8所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求8所述的一种用于高楼灭火无人机的灭火器流体压力控制方法。
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