CN205525021U - 一种用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统，包括外置主控制器(17)和飞行器模型(13)；所述飞行器模型(13)，包括机身(4)和云台支架(8)，所述机身(4)上设置有呈十字分布的四个机翼(1)，每个机翼(1)与无刷电机(2)相连，继而无刷电机(2)通过无刷电调(3)与机身(4)相连；机身(4)上方设置有飞行控制板(5)和飞行控制板安装棱柱(7；机身(4)下方设置有执行部件(10)和执行部件固定柱(9)，执行部件(10)外部设置有耐高温隔热罩(11)。本实用新型能够在未知的环境中自主飞行，稳定、安全、灵活的搜救被困群众。

Description

一种用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统

技术领域

本实用新型涉及火灾现场勘测智能系统，具体地说涉及一种用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统。

背景技术

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾是我国目前造成人员伤亡数仅次于矿难的灾难。从近几年火灾事故的资料看，全国平均每年由火灾造成的经济损失达15亿元，火灾次数达18万次，呈不断上升之势。大型火灾不仅会造成惨重的财产损失，还会造成大量的人员伤亡。

大型火灾发生后的扑灭工作也是一大难点，目前我国采取的仍为人工扑灭，这种扑灭方式难度大，对消防队员有很大危险。2015年8月12日在天津滨海新区塘沽开发区的天津东疆保税港区瑞海国际物流有限公司所属危险品仓库发生爆炸，22时50分之后的连环爆炸造成数十名消防员牺牲。火灾现场的情况勘测对扑灭火灾，提醒消防队员未知的危险有重大意义。

基于上述火灾危害性大、扑灭危险性大的特点，利用科技的便捷性，发明一种应用于火灾现场情况勘测的智能系统对减少消防员在火灾现场的危险性，帮助消防员搜救被困群众很有益处。

例如，申请号为2014206116365、名称为“一种火灾报警数据信息与火灾现场视频信息一体传输装置”的实用新型专利，此实用新型虽然提高了数据传输装置在极端环境下工作的稳定性，但是火灾传感器和摄像头的位置固定，摄像头视觉角度单一，不能完全还原火灾现场的原貌；而且传感器和摄像头通过数据电缆与数据采集主机相连，数据电缆虽然有阻燃外层，但是容易发生断线的危险。

另外，申请号为2015200466745、名称为“一种基于四旋翼飞行器的火灾现场辅助救援系统”的实用新型专利，该四旋翼飞行器可通过无线遥控飞行或自动控制飞行，能较为灵活的拍摄火灾现场的情况，但是，关于火灾现场高温条件下四旋翼飞行器材料的选择和四旋翼飞行器在未知环境中如何自主飞行没有给出较好的解决办法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型设计了一种用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统。

本实用新型用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统，包括外置主控制器17和飞行器模型13；

所述飞行器模型13，包括机身4和云台支架8，所述机身4上设置有呈十字分布的四个机翼1，每个机翼1与无刷电机2相连，继而无刷电机2通过无刷电调3与机身4相连；机身4上方设置有飞行控制板5和飞行控制板安装棱柱7，飞行控制板5下方设置有电池12，飞行控制板5外侧设置有耐高温隔热罩6；机身4下方设置有执行部件10和执行部件固定柱9，执行部件10外部设置有耐高温隔热罩11；

所述飞行控制板5上设置有飞行控制模块15，飞行控制模块15用于控制飞行器模型13的飞行姿态和飞行方向。

多台飞行器模型13在同一区域同一时间受同一主控制器17控制飞行。

所述执行部件10为高清摄像头14a或红外线人体传感器14b。

所述飞行控制模块15由微控制器模块15a、姿态测量模块、电源模块15d、电机驱动模块15e、无线通讯模块15f、GPS模块15g组成；微控制器模块15a为时钟频率为50MHZ以上的单片机，其他电子器件以微控制器模块15a为中心，连接到微控制器模块15a，与微控制器模块15a建立通信；姿态测量模块由加速度传感器15b、角速度传感器15c、数字气压传感器组成；电源模块15d和电机驱动模块15e共同用于控制飞行器电池为无刷电调和电机供电，电源模块15d内含降压电路，将电池电源转化为5v直流电为微控制器模块供电；无线通讯模块15f为nRF24L01无线模块器件，其发射电路通过LC振荡电路构成，用于发射和接收无线电来实现主控制器17和飞行器模型13的通信；GPS模块15g用于测定飞行器的具体方位。

电源模块15d同时连接微控制器模块15a和电池12，用于解锁电池12。

电机驱动模块15e用于解锁无刷电机2。

耐高温隔热罩6、11为celsian基体或cel-sian 纤维陶瓷复合材料制成。

或者，所述飞行控制模块15由微控制器模块15a、姿态测量模块、电源模块15d、电机驱动模块15e、无线通讯模块15f、未知建筑自主飞行辅助模块18组成；所述未知建筑自主飞行辅助模块18，包括激光传感器18a和声纳传感器18b；未知建筑自主飞行辅助模块18连接飞行控制系统15的微控制器模块15a，未知建筑自主飞行辅助模块18将采集到的飞行器和障碍物之间的距离发送给微控制器模块15a，经过通信系统16反馈给主控制器17，主控制器17根据算法规划飞行路线，通过通信系统16发送到飞行控制系统15来改变飞行的方向或高度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、四旋翼飞行器采用多种的耐高温高强度的材料制成，能够在火灾的现场自如的飞行而不受高温高压环境的影响，能够克服环境对人力的限制，飞行器可以去到许多火灾灾情严重的建筑物中勘测情况：机架的构建应采用TUFROC 韧化单片纤维增强抗氧化复合材料，耐高温、抗氧化；电机的构建应采用冷却的陶瓷基复合材料（CMC）技术；耐高温隔热罩采用celsian（涂有锶的硅酸铝钡，SBAS）基体/cel-sian 纤维陶瓷复合材料，透明、耐高温、并能进行无线电频率的电子透波；其他裸露部分可以刷高熔点抗氧化陶瓷碳绝缘材料的耐高温抗火涂层。

2、飞行器采用由微控制器模块（时钟频率为50MHZ或50MHZ以上的单片机组成）、姿态测量模块、无线通讯模块、电机驱动模块组成先进的飞行控制技术，飞行稳定，不易受环境的影响，且飞行控制器时钟频率高，处理速度快，在飞行器飞行受到大的扰动时，微处理器内置的PID控制算法会快速计算电机的转速，通过电调改变无刷电机的转速，使飞行器飞行回归稳定。

3、飞行器在未知的环境中执行任务时，如飞入未知状态的建筑物中时，利用激光传感器和声纳传感器代替传统 GPS 的惯性导航方法，用于获取飞行器在未知室内环境中飞行时的位姿信息。并结合数字图像处理方法和激光测距特性，采取激光辅助惯性导航的方法可以进一步的提高定位的精度。保证飞行器不受阻碍的飞行。

4、在通信系统中，为了保证飞行器之间更好的合作交流，飞行器的协同工作采用协同工作模式中的本地同步模式，即使得处于同一区域的合作者在同一时间进行同一任务的协作。多台飞行器在同一区域同一时间受同一主控制器控制飞行。主控制器与飞行控制器的通讯方式采用集中式应用共享方式，即飞行器向主控制器反馈飞行信息，主控制器控制飞行器飞行，各飞行器之间的协同交流也通过主控制器完成。所以，飞行器之间可以实现较好的合作，飞行器和主控制器之间的交流也比较便利。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的侧视图；

图3为本实用新型的系统方框图；

图4为主控制器与飞行器模型之间的集中式应用共享方式示意图。

图中，1为机翼，2为无刷电机，3为无刷电调，4为机身，5为飞行控制板，6为耐高温隔热罩，7为飞行控制板安装棱柱，8为云台支架，9为执行部件固定柱，10为执行部件，11为耐高温隔热罩，12为电池，13为飞行器模型，14为勘测系统，14a为高清摄像头，14b为红外线人体传感器，15为飞行控制模块，15a为微控制器模块，15b为加速度传感器，15c为角速度传感器，15d为电源模块，15e为电机驱动模块，15f为无线通讯模块，15g为GPS模块；16为通信系统；17为主控制器；18为未知建筑自主飞行辅助模块，18a为激光传感器，18b为声纳传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

如图1、图2所示，飞行器模型13包括机翼1、无刷电机2、无刷电调3、机身4、飞行控制系统5、飞行控制系统耐高温隔热罩6、飞行控制板安装棱柱7、云台支架8、机载摄像头固定柱9、机载摄像头/机载红外线人体传感器10、勘测系统耐高温隔热罩11、电池12。机翼1、机身4、云台支架8由TUFROC 韧化单片纤维增强抗氧化复合材料，耐高温、抗氧化，其中含有韧化耐高温表面ROCCI（高熔点抗氧化陶瓷碳绝缘材料） 碳质覆层和低热传导率纤维基层；无刷电机2采用冷却的陶瓷基复合材料（CMC） 技术，陶瓷基复合材料质量轻且耐高温；飞行控制系统耐高温隔热罩6和勘测系统耐高温隔热罩11采用celsian（涂有锶的硅酸铝钡，SBAS)基体/cel-sian 纤维陶瓷复合材料，该材料透明、耐高温、并能进行无线电频率的电子透波，可以和主控制器进行无线电的传输；无刷电调3和裸露在外的导线先刷耐热树脂层再刷高熔点抗氧化陶瓷碳绝缘材料的耐高温抗火涂层；飞行控制板安装棱柱7和机载摄像头固定柱9可采用普通塑料材质。

如图1、图2所示，四旋翼飞行器机身4下安装云台支架8组成整体机架支撑，机身4上方在四个旋翼的终点上安装有四个无刷电机2，无刷电机2上安装有机翼1，在四个旋翼臂上固定四个无刷电调3，无刷电调3一端连接无刷电机2，一端连接电池12，四个无刷电调3的信号线连接飞行控制系统5，因为无刷电调3有将高电平转化为低电平的功能，所以，四个无刷电调3中的一个要引出一根电源转换线连接飞行控制系统5给其供电。电池12固定在机身4上方中心，飞行控制系统5（具体的组成见下方）通过飞行控制板安装棱柱7固定在电池12的上方。飞行控制系统5、飞行控制板安装棱柱7、电池12一起被保护在飞行控制系统耐高温隔热罩6内防止火灾现场的高温对飞行控制系统5和电池12产生影响。机身4下方通过机载摄像头固定柱9搭载机载摄像头/机载红外线人体传感器10，外罩勘测系统耐高温隔热罩11，防止高温对10产生影响。

图3为无人飞行器各系统关系框图，包括机身、机翼、无刷电机、电子调速器等在内的飞行器模型13，勘测系统14，飞行控制系统15和通信系统16，飞行器模型13的搭建已在图1、图2的具体实施方式中说明。飞行器模型13上搭建勘测系统14，飞行控制系统15控制飞行器模型13的飞行姿态和飞行方向，通信系统16包括主控制器17和各飞行器之间的火灾灾情信息交流和命令传达，各系统的组成及功能介绍如下：

如图3所示，包括机身、机翼、无刷电机、电子调速器等在内的飞行器模型13是系统的基础和载体，飞行器的安装要严格按照图1、图2的安装顺序安装，为了保持最佳的飞行效果。

如图3所示，勘测系统14包括高清摄像头14a、红外线人体传感器14b两部分。高清摄像头14a可以达到数台普通摄像机的监控效果，通过对控制亮度及细节调整，实现水平清晰度的最高指数，同时可以非常有效地缩减系统规模，避免繁复的视频图像、控制和供电传输线路，从而减少总体建设成本。拍摄的照片高质量、高清晰，飞行器搭载高清摄像头14a，这样在飞行器飞行的时候就可以多角度、全方位的拍摄火灾现场的状况；红外线人体传感器14b是专门用于人体探测的传感器，携带红外线人体传感器14b的飞行器在检测到被困人员时，会发射一个高电平信号到主控制器17，当主控制器17检测到高电平信号时，会报警提醒消防人员被困人员的位置。

如图3所示，飞行控制系统15由微控制器模块15a、姿态测量模块、无线通讯模块15f、电机驱动模块组成。微控制器模块15a由时钟频率为50MHZ或50MHZ以上的单片机组成；姿态测量模块由加速度传感器(三轴加速度计)15b、角速度传感器(三轴陀螺仪)15c、数字气压传感器组成，加速度传感器(三轴加速度计)15b、角速度传感器(三轴陀螺仪)15c，负责飞行器的姿态实时检测，保证飞行器的平稳可靠飞行，数字气压传感器通过实时检测飞行器气压的变化，控制飞行器的飞行高度，实现飞行器的定高飞行；无线通讯模块15f可以用nRF24L01无线模块器件，可以满足接收和发射信号的需要，其发射电路可以通过LC振荡电路构成；电源模块15d和电机驱动15e可以控制飞行器电池为无刷电调和电机供电；GPS 模块/激光传感器和声纳传感器15g主要用于测定飞行器的具体方位，为主控制器规划飞行器的飞行路线做准备。

如图3所示，未知建筑自主飞行辅助模块18，包括激光传感器18a和声纳传感器18b，此模块可代替传统 GPS 的惯性导航方法，结合数字图像处理方法和激光测距特性，采取激光辅助惯性导航的方法进一步的提高定位的精度。当飞行器在未知建筑物中飞行时，若出现GPS失灵的情况，此时没有建筑物图纸，可采取未知建筑自主飞行辅助模块18，未知建筑自主飞行辅助模块18连接飞行控制系统15的微控制器模块15a，未知建筑自主飞行辅助模块18将采集到的飞行器和障碍物之间的距离发送给微控制器模块15a，经过通信系统16反馈给主控制器17，主控制器17根据算法规划飞行路线，通过通信系统16发送到飞行控制系统15来改变飞行的方向或高度。

如图3所示，通信系统16根据火灾现场的实际情况，飞行器的协同工作采用协同工作模式中的本地同步模式，即使得处于同一区域的合作者在同一时间进行同一任务的协作。多台飞行器在同一区域同一时间受同一主控制器控制飞行。主控制器17与飞行控制器15的通讯方式采用集中式应用共享方式，集中式应用共享方式如图4所示，各飞行器之间的相互通信通过主控制器17完成，所以对主控制器17的处理速度有较高的要求。

当建筑物为有具体的结构图，结构较为简单时，飞行器的位置定位模块采用GPS模块。主控制器17通过无线电向飞行控制系统15发送信号，微控制器模块15a解锁，电源模块15d启动，传感器测量单元（加速度传感器(三轴加速度计)15b、角速度传感器(三轴陀螺仪)15c、数字气压传感器）启动，测量飞行器的位姿数据。在传递给微控制器模块15a进行数据处理与分析后，解算此时飞行器的姿态。GPS模块获得飞行器的地理位置信息。飞行控制系统15将飞行姿态和地理位置信息反馈给主控制器17，主控制器17根据巡航要求确定路线，根据飞行器的地理位置信息确定飞行器飞行方向。之后，主控制器17向飞行控制系统15发送信号，15根据P I D 控制算法进行姿态角的闭环控制，解算出无刷电机2应有的转速，电机驱动15e启动，电源模块15d解锁电池12，电池12向无刷电机2供电，电机2按解锁出的转速旋转，飞行器起飞。调整飞行速度改变飞行姿态时，电机驱动15e驱动无刷电调3，改变四个电机2的转速，从而改变飞行姿态。

当建筑物为未知建筑物时，利用激光传感器18a和声纳传感器18b代替传统 GPS 的惯性导航方法，激光传感器18a内部包含一个旋转的红外激光反射镜，可以将光波发射在以传感器为中心的圆域内，反射回来的激光被传感器检测到，并使用三角测距法计算长度。最终，传感器按照固定时间间隔，返回根据角度区别的一系列距离测量值。当然，如果火灾发生的室内空间的室内高度不超过 5m，所以也可以选用精度更高的声纳测距仪，测量飞行器的高度信息。结合数字图像处理方法和激光测距特性，采取激光辅助惯性导航的方法可以进一步的提高定位的精度。

主控制器17通过无线电向飞行控制系统15发送信号，微控制器模块15a解锁，电源模块15d启动，传感器测量单元（加速度传感器(三轴加速度计)15b、角速度传感器(三轴陀螺仪)15c、数字气压传感器）启动，测量飞行器的位姿数据。在传递给微控制器模块15a进行数据处理与分析后，解算此时飞行器的姿态。激光传感器和声纳传感器可以测量飞行器和四周的障碍物的具体距离，将数据反馈给主控制器17，主控制器规划飞行路径。之后，主控制器17向飞行控制系统15发送信号，15根据P I D 控制算法进行姿态角的闭环控制，解算出无刷电机2应有的转速，电机驱动15e启动，电源模块15d解锁电池12，电池12向无刷电机2供电，电机2按解锁出的转速旋转，飞行器起飞。调整飞行速度改变飞行姿态时，电机驱动15e驱动无刷电调3，改变四个电机2的转速，从而改变飞行姿态。

由于飞行器只携带摄像头14a或红外线人体传感器14b中的一种，所以采取每一架携带摄像头的飞行器搭配一台携带红外线人体传感器的飞行器协同飞行的方式，协同方式为本地同步方式，主控制器17采取集中式应用共享方式（如图4）来控制飞行器，飞行器勘测系统14采集到的数据通过无线电的方式来传输给主控制器17。这样，消防人员就可以通过飞行器了解到火灾现场的状况和被困人员的信息。

这样，不论火灾发生在结构简单，有建筑结构图还是发生在结构复杂的未知建筑中，通过改变飞行器携带的模块和主控制器17的程序，系统都可以工作。

上述为一种应用于火灾现场情况勘测的耐高温无人飞行器系统的具体实施实例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于火灾现场情况勘测的耐高温自主无人飞行器系统，其特征在于：包括外置主控制器(17)和飞行器模型(13)；

所述飞行器模型(13)，包括机身(4)和云台支架(8)，所述机身(4)上设置有呈十字分布的四个机翼(1)，每个机翼(1)与无刷电机(2)相连，继而无刷电机(2)通过无刷电调(3)与机身(4)相连；机身(4)上方设置有飞行控制板(5)和飞行控制板安装棱柱(7)，飞行控制板(5)下方设置有电池(12)，飞行控制板(5)外侧设置有耐高温隔热罩(6)；机身(4)下方设置有执行部件(10)和执行部件固定柱(9)，执行部件(10)外部设置有耐高温隔热罩(11)；

所述飞行控制板(5)上设置有飞行控制模块(15)，飞行控制模块(15)用于控制飞行器模型(13)的飞行姿态和飞行方向。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：多台飞行器模型(13)在同一区域同一时间受同一主控制器(17)控制飞行。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述执行部件(10)为高清摄像头(14a)或红外线人体传感器(14b)。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述飞行控制模块(15)由微控制器模块(15a)、姿态测量模块、电源模块(15d)、电机驱动模块(15e)、无线通讯模块(15f)、GPS模块(15g)组成；微控制器模块(15a)为时钟频率为50MHZ以上的单片机，其他电子器件以微控制器模块(15a)为中心，连接到微控制器模块(15a)，与微控制器模块(15a)建立通信；姿态测量模块由加速度传感器(15b)、角速度传感器(15c)、数字气压传感器组成；电源模块(15d)和电机驱动模块(15e)共同用于控制飞行器电池为无刷电调和电机供电，电源模块(15d)内含降压电路，将电池电源转化为5v直流电为微控制器模块供电；无线通讯模块(15f)为nRF24L01无线模块器件，其发射电路通过LC振荡电路构成，用于发射和接收无线电来实现主控制器(17)和飞行器模型(13)的通信；GPS模块(15g)用于测定飞行器的具体方位。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：电源模块(15d)同时连接微控制器模块(15a)和电池(12)，用于解锁电池(12)。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于：电机驱动模块(15e)用于解锁无刷电机(2)。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：耐高温隔热罩(6、11)为celsian基体或cel-sian 纤维陶瓷复合材料制成。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述飞行控制模块(15)由微控制器模块(15a)、姿态测量模块、电源模块(15d)、电机驱动模块(15e)、无线通讯模块(15f)、未知建筑自主飞行辅助模块(18)组成；所述未知建筑自主飞行辅助模块(18)，包括激光传感器(18a)和声纳传感器(18b)。