CN209142384U - 系留无人机消防系统 - Google Patents

Abstract

提供一种系留无人机消防系统，其包括无人机子系统和地面站子系统，其中，所述无人机子系统中使用了系留无人机，所述地面站子系统通过线缆向所述无人机子系统供给电力和灭火剂；所述无人机子系统中设置有基于超宽带技术进行定位的定位模块；所述地面站子系统中设置有定位基站和与所述定位基站信号连接的控制模块，所述定位基站用于接收所述定位模块发出的信号并将该信号转换成所述定位模块的位置信息，然后向所述控制模块发送所述位置信息；以及所述控制模块向所述无人机子系统发送控制信息，所述无人机子系统根据所述控制信息进行消防作业。本实用新型的系留无人机消防系统能够令人满意地进行高层消防作业。

Description

系留无人机消防系统

技术领域

本实用新型涉及一种系留无人机消防系统，特别涉及一种适用于在高层楼宇环境下进行灭火作业的系留无人机消防系统。

背景技术

随着城市高层建筑的增多，高层消防成为亟待解决的问题。特别是对高层消防作业所需的设备提出了越来越高的要求。

传统的高压水枪的最大喷射高度一般大约为60米，一般的消防云梯的长度大约为50米。在应对高度超过这些设备的最大高度的消防作业时，尤其是在应对100米以上的楼层中的消防作业时，传统的高压水枪和云梯已经无法发挥作用。

当前有采用消防直升机进行特别是100米以上的高层消防作业的方式。消防直升机由驾驶员驾驶，并携带一定量的灭火剂(例如二氧化碳或七氟丙烷)从空中对火灾点进行消防作业。然而，受到直升机价格昂贵、需要专业飞行员驾驶等不利因素的制约，这种消防作业方式很难推广。

专利文献CN 105667795A中公开了一种无人机灭火弹发射系统。该无人机灭火弹发射系统中使用了无人机携带灭火弹实施高层消防作业。由于无人机体积小且飞行灵活，因此能够快速地抵达高层楼宇中的消防作业点，及时进行消防作业。但是，受到无人机自身载重能力和续航能力的限制，一台无人机只能携带很少的(例如一枚)灭火弹升空。灭一处火往往要多次返航装载灭火弹。因此，这种无人机灭火弹发射系统在应对火情较大或者同时存在多处起火点的情况时存在局限性。

鉴于上述情况，需要出现更为适合高层消防作业的技术手段。

实用新型内容

实用新型要解决的问题

本实用新型的目的在于提供一种适用于在高层楼宇环境下进行灭火作业的技术方案。

用于解决问题的方案

为实现上述目的，本实用新型提供一种系留无人机消防系统，其包括无人机子系统和地面站子系统，其中，所述无人机子系统中使用了系留无人机；所述地面站子系统通过线缆向所述无人机子系统供给电力和灭火剂；所述无人机子系统中设置有基于超宽带技术进行定位的定位模块，所述地面站子系统中设置有定位基站和与所述定位基站信号连接的控制模块，所述定位基站用于接收所述定位模块发出的信号并将该信号转换成所述定位模块的位置信息，然后向所述控制模块发送所述位置信息；以及所述控制模块向所述无人机子系统发送控制信息，所述无人机子系统根据所述控制信息进行消防作业。

系留无人机通过地面站子系统供给电力和灭火剂，无需携带笨重的电池模块，从而具有更高的载重能力和持久的续航能力。利用系留无人机，能够快速升空到达期望的消防作业位置且能够长时间滞留在高空中进行消防作业。通过基于超宽带(UWB，Ultra WideBand)技术进行精确定位的系统，能够实现非常高的定位精度，从而准确进行消防作业。因此，本实施方式的系留无人机消防系统特别适用于在高层楼宇环境下进行灭火作业。

此外，相比于需要驾驶员的消防直升机，本实用新型的系留无人机消防系统具有成本低、体积小、飞行灵活且无需专业驾驶员的优点。相比于传统的消防作业，本实用新型的系留无人机消防系统能够避免使用云梯，所以也具有成本低、体积小的优点，同时还可以避免消防员进入高层起火点，因而更安全。

优选地，在所述无人机子系统中，所述系留无人机设置有载重挂架，所述载重挂架上搭载至少一个灭火剂容器，所述灭火剂容器与所述线缆中包括的料管线相连接。

当搭载有多个灭火剂容器时，可以使用不同种类的灭火剂，从而能够方便地应对不同火情，避免不必要的返航，保证及时快速地进行消防作业。

优选地，在所述无人机子系统中，设置有用于喷出灭火剂的喷出部，所述喷出部中至少包括用于喷出灭火剂的喷嘴和位于所述喷嘴后方的反推力螺旋桨。

通过反推力螺旋桨能够抵消喷出的灭火剂对喷嘴产生的反作用力，从而实现稳定的喷出。

优选地，在所述定位模块中使用dw1000芯片产生符合超宽带技术要求的定位用信号。

通过使用dw1000芯片，能够获得±10厘米以内的定位精度。

优选地，在所述无人机子系统中设置有姿态感知系统，所述姿态感知系统用于采集所述系留无人机的姿态信息并输出所述姿态信息，所述姿态感知系统由陀螺仪、加速度计、气压高度计、地磁计和摄像头中的至少一者以及单片机构成。

利用姿态感知系统，可以方便地获得飞行中的系留无人机的姿态信息，从而便于操作人员进行控制。

优选地，所述定位基站的数量为多个。更优选地，所述定位基站中的至少一部分定位基站为能够独立地设置在周围环境中的部件。

设计为独立部件的定位基站可以方便地设置在周围的环境中，避免由于消防车辆无法靠近消防作业地点、周围环境中存在的障碍物等情况对定位信号的不利影响。

优选地，所述地面站子系统中还包括供电部，所述供电部包括燃料发电机和高压电源转换系统，通过所述高压电源转换系统将所述燃料发电机发出的电力转换成高压电，所述供电部通过所述线缆中包括的能源线将所述高压电输送给所述无人机子系统。

采用高压电对无人机系统供电，能够降低用于供电的能源线中的电流大小，从而允许使用较细的能源线。这样就可以降低能源线的重量，减轻系留无人机的载重负荷。

实用新型的效果

本实用新型的系留无人机消防系统具有成本低、体积小、飞行灵活且无需专业驾驶员的优点，能够实现在100米以上的高层楼宇环境下的准确定位和长时间稳定滞空，从而能够令人满意地进行高层消防作业。

附图说明

图1是示例性地示出本实用新型的系留无人机消防系统的方框图。

图2是示例性地示出本实用新型的系留无人机消防系统的构造图。

附图标记说明

1、无人机动力及飞行控制部；2、UWB定位模块；3、反推力螺旋桨；4、灭火剂容器；5、摄像头；6、喷出部；7、载重挂架；8、线缆；9、保护罩；10、UWB定位基站；11、无人机停泊平台；12、供电部；13、线缆绞盘；14、灭火剂贮存部。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

图1是用于说明本实用新型的系留无人机消防系统中各组成部分的功能构造的方框图，图2示出了本实用新型的系留无人机消防系统的一种示例性构造。系留无人机消防系统包括无人机子系统、地面站子系统和连接在这两个子系统之间的线缆8。以下将具体说明图1中的无人机子系统、地面站子系统和线缆。

[无人机子系统]

在无人机子系统中包括：无人机动力系统、飞行控制系统、无人机定位系统、姿态感知系统、载重挂架和喷嘴云台等功能模块。

利用从线缆8供给的电力，无人机动力系统提供无人机飞行所需的动力。例如，无人机动力系统可以包括用于实现升降移动的螺旋桨、用于稳定喷嘴的反推力螺旋桨和用于驱动螺旋桨的马达。可以使用例如高压无刷电机作为无人机动力系统中的马达的具体示例。各螺旋桨中均可以使用碳纤维螺旋桨叶和碳纤维支架。

飞行控制系统用于控制无人机的具体飞行动作，其与后述的地面站子系统双向通信，既可以接收来自地面站子系统的指令，也可以将无人机的运行状态信息传送给地面站子系统。操作人员可以通过地面站子系统向飞行控制系统传送指令，指示无人机应当到达的位置和需要执行的操作(例如喷出灭火剂)等。飞行控制系统根据接收到的指令，控制例如无人机动力系统和喷嘴云台等产生相应的动作，从而使无人机飞到期望的位置并执行期望的操作。飞行控制系统例如可以是微型计算机、CPU、MCU、MPU或单片机等。

无人机定位系统用于提供无人机的位置信息，其可以是基于UWB技术进行精确定位的无人机定位系统。例如，可以采用包括UWB测距芯片(例如，由Deca Wave公司生产的dw1000芯片)的发射器作为无人机定位系统的示例。该发射器可以直接将用于定位的信号传送给后述的地面站子系统中的UWB定位基站10。该发射器可以自带电源，也可以通过飞行控制系统对该发射器供电。由于能够对无人机进行精确定位，所以可以计算出无人机子系统与地面站子系统之间的准确距离，实现无人机的自动起降。需要说明的是，只要能够实现基于UWB技术进行无人机的定位，就可以采用各种具体方式实现无人机定位系统，而不限于上述具体示例。

姿态感知系统用于采集与无人机当前的姿态有关的信息，并将该信息及时传送给飞行控制系统。这里，与姿态有关的信息包括但不限于无人机的飞行高度、飞行方向、飞行速度、相对于水平方向的仰角、周围的气压等。可以将飞行控制系统设计成根据姿态感知系统采集到的信息判断出无人机当前的姿态，也可以将飞行控制系统设计成把姿态感知系统采集到的信息转换成信号传送给地面站子系统进行判断，或者两种情况兼具。这样，操作人员就能够及时了解无人机的飞行状态。可以使用例如陀螺仪、加速度计、气压高度计、地磁计、摄像头和单片机等构成姿态感知系统。

载重挂架用于吊挂各种灭火器材。载重挂架可以与无人机的起落架一体形成，或者可以安装于起落架。

喷嘴云台用于搭载喷出灭火剂用的喷嘴，并且能够起到稳定喷嘴和调整喷嘴的喷射角度的作用。当喷嘴喷出灭火剂时，在开始喷出的时刻、结束喷出的时刻以及喷出量变化的时刻，喷嘴受到的来自灭火剂的反作用力会产生大的变化。喷嘴云台能够在一定范围内抵消喷嘴受到的反作用力的变化，从而稳定喷嘴的姿态，使喷出的灭火剂能够准确地达到期望的位置。

[地面站子系统]

在地面站子系统中包括：收放管线系统、无人机停泊平台、灭火剂存储供给模块、供电模块和无人机操作系统等功能模块。

收放管线系统用于收放线缆8。例如，可以采用线缆绞盘作为收放管线系统。线缆8的长度大于等于无人机子系统的最大作业高度。例如，当设计的消防作业高度范围为50米至600米时，线缆8的长度至少为600米。

灭火剂存储供给模块中可以包括灭火剂存贮容器和物料泵。通过物料泵和线缆8，可以将灭火剂存贮容器中存储的灭火剂输送到无人机子系统中的喷嘴处进行喷出。本实施方式中，可以根据所使用的灭火剂的性质来选择合适的灭火剂存贮容器，可以根据最大输送高度、最大输送量等设计参数来选择合适的物料泵。对灭火剂存贮容器和物料泵的具体类型和技术规格没有特别限制，只要能够实现本实用新型的目的即可。

供电模块用于向地面站子系统和无人机子系统提供电力。供电模块例如可以包括燃料发电机和高压电源转换系统(例如高压电源转换电路)等，或者例如可以是蓄电池等。对供电模块的具体类型和技术规格没有特别限制，只要能够实现本实用新型的目的即可。

无人机操作系统用于对整个系留无人机消防系统进行控制。其包括主控制单元以及与主控制单元信号连接的后述的UWB定位基站10等。UWB定位基站10将接收到的来自上述发射器的信号转换成无人机子系统的位置信息，并将该位置信息传送给主控制单元，从而主控制单元能够获知无人机所处的位置。主控制单元可以是微型计算机等，其与无人机子系统的飞行控制系统双向通信，从飞行控制系统获取各种信息，并向飞行控制系统传送各种指令。主控制单元也可以是无人机专用的遥控器装置。在主控制单元的控制下，无人机子系统能够实现操作人员期望的各种操作。

[线缆]

连接在无人机子系统和地面站子系统之间的线缆8可以包括能源线和料管线等。能源线例如是用于将地面站子系统中的供电模块产生的电力供给至无人机子系统的供电电缆。料管线例如是用于将灭火剂从地面站子系统中的灭火剂存储供给模块供给至无人机子系统的耐压软管。此外，线缆8中还可以根据需要包括信号线缆，以便在无人机子系统的飞行控制系统与地面站子系统的无人机操作系统之间传送通信信号。

以下结合图2具体说明本实用新型的系留无人机消防系统的示例性结构。

图2中示出的无人机子系统包括无人机动力及飞行控制部1、UWB定位模块2、反推力螺旋桨3、灭火剂容器4、摄像头5、喷出部6、载重挂架7等。该无人机子系统中的无人机通过线缆8从地面站子系统获取电力，因而自身不需要搭载电池模块。一般将采用这种供电方式的无人机称为系留无人机，其具有自重轻、载重量大且能够长时间滞留在空中的优点。

无人机动力及飞行控制部1中包括四组螺旋桨和前述飞行控制系统。这四组螺旋桨用于实现无人机的升降移动。反推力螺旋桨3用于提供在水平方向上推动力，以便使喷嘴能够在喷出过程中保持姿态稳定。飞行控制系统能够控制无人机动力及飞行控制部1中的这四组螺旋桨以及反推力螺旋桨3的转动。这四组螺旋桨与反推力螺旋桨3的组合相当于前述无人机动力系统。

载重挂架7可以与无人机的起落架形成为一体，或者可以安装于起落架。图2中示出了载重挂架7安装于起落架的情形。灭火剂容器4搭载于载重挂架7。线缆8中的料管线与灭火剂容器4连接，从地面站子系统的灭火剂存储供给模块(具体为该模块中的物料泵)通过料管线将灭火剂供给到灭火剂容器4中。

在起火时，由于起火原因的不同，需要使用不同种类的灭火剂。如果无人机上搭载的灭火剂的种类与火情不对应，则需要额外返航重新搭载灭火剂。为此，载重挂架7上可以搭载多种灭火器材，例如可以搭载用于容纳不同种类灭火剂的多个灭火剂容器4。这样，在进行消防作业时，无需无人机返航，就能够根据火情喷出不同种类的灭火剂。又例如，在无人机接近原因不明的起火点后，可以通过摄像头5观察起火点，判断起火原因后使用对应的灭火剂。因此，能够避免不必要的返航，及时进行消防作业。

对应地，在线缆8中包括多根料管线，用于向多个灭火剂容器4分别供给灭火剂。另外，也可以不设置灭火剂容器4，而是通过料管线直接将灭火剂供给至喷出部6。另外，也可以不通过地面站子系统向无人机子系统供给灭火剂，而是在无人机上搭载例如灭火弹等的灭火物资。此时，线缆8中不再需要包括料管线，从而能够进一步降低单位长度的线缆8的重量。

喷出部6可以搭载于载重挂架7，或者可以直接固定于无人机的机身。图2中示出了喷出部6搭载于载重挂架7的情形。喷出部6包括用于喷出灭火剂的喷嘴和前述喷嘴云台。喷嘴固定于喷嘴云台，喷嘴云台可以调节喷嘴的喷射角度。反推力螺旋桨3从与喷嘴相反的一侧(即、喷嘴后方)设置于喷出部6。在喷出灭火剂时，灭火剂会对喷嘴施加一定的反作用力，从而造成喷嘴位置的变动。反推力螺旋桨3能够提供用于抵消这种反作用力的反推力，从而有助于保持喷出动作的平稳进行。

如前面已经提到的，当通过喷嘴喷出灭火剂时，例如在开始喷出的时刻、结束喷出的时刻以及喷出量变化的时刻，喷嘴受到的来自灭火剂的反作用力会产生大的变化。此时，在利用喷嘴云台稳定喷嘴之外，还可以通过无人机子系统的飞行控制系统控制反推力螺旋桨3的转动产生相应的变化，使得反推力螺旋桨3的反推力的变化能够抵消来自灭火剂的反作用力的变化。

摄像头5可以拍摄喷嘴前方的实时图像，并将拍摄到的实时图像传回地面站子系统。例如，摄像头5可以通过无线通信方式，直接将拍摄到的实时图像信息传送给地面站子系统中的无人机操作系统。又例如，摄像头5可以将拍摄到的实时图像信息传送给无人机子系统中的飞行控制系统，再由飞行控制系统通过设置在线缆8中的信号线缆传送给地面站子系统中的无人机操作系统。本实施方式中，对摄像头5拍摄到的实时图像信息的传送的具体方式没有限制，只要能够将实时图像信息传送到无人机操作系统即可。出于降低重量的考虑，优选使用无线方式传送图像信息。

UWB定位模块2是图1中的无人机定位系统的一个具体示例，其为包括由Deca Wave公司生产的dw1000芯片的信号发射器。

图2中示出的地面站子系统的示例为经过改装的消防用车辆(以下简称为车辆)。在该地面站子系统(改装后的车辆)中包括保护罩9、UWB定位基站10、无人机停泊平台11、供电部12、线缆绞盘13和灭火剂贮存部14。图2中省略了地面站子系统中的无人机操作系统的图示。地面站子系统中的无人机操作系统可以通过安装了用于控制无人机子系统的软件的计算机、遥控器或专用设备等实现。

位于车辆的车身中部的线缆绞盘13用于收放线缆8。线缆绞盘13可以根据无人机的位置自动控制需要放出或收回的线缆8的长度。

供电部12对应于图1中的供电模块。供电部12中包括例如燃料发电机和高压电源转换系统，高压电源转换系统将燃料发电机发出的电力转换成高压电。线缆8中的作为供电电缆的能源线用于将供电部12产生的高压电供给至无人机子系统。采用高压电供电的优点在于可以降低供电电流的大小。根据功率P与电压U和电流I之间的关系P＝UI可知，在功率P不变的情况下，电压U越高，电流I就越低。在电流I低的情况下，即使采用较细的供电电缆(电缆细意味着电缆自身的电阻率高)，也不用担心电缆中发生过热熔断故障。因此，电流I越低，用于供电的电缆就可以越细。

对于系留无人机而言，其突出的优点在于省略了笨重的电池模块，从而具有更高的载重能力。供电电缆细有利于降低单位长度的电缆重量，从而使得系留无人机能够承载更长的线缆。因此，对于本实用新型而言，为了实现高层消防作业，需要使单位长度的线缆8的自重尽可能轻。

灭火剂贮存部14对应于图1中的灭火剂存储供给模块。图2中示出了灭火剂贮存部14位于车辆的后部车身的情况。灭火剂贮存部14中包括例如灭火剂存贮容器和物料泵。物料泵与线缆8中的料管线相连接，用于将灭火剂存贮容器中的灭火剂通过料管线供给到无人机子系统中的灭火剂容器4。物料泵例如是加压泵等。

在灭火剂贮存部14的上方，设置了无人机停泊平台11。并且在无人机停泊平台11的上方设置有可打开/关闭的保护罩9。

在车辆的顶部四角处还设置有与无人机操作系统信号连接的四个UWB定位基站10，用于接收从UWB定位模块2发出的位置信号。通过四个UWB定位基站10，能够判断出UWB定位模块2的精确位置，从而帮助无人机操作系统确定无人机所处的准确位置和空中姿态。

需要说明的是，UWB定位基站10的数量不限于图2中示出的四个，也可以是其它数量。只要能够实现对无人机子系统的定位，就无需限制UWB定位基站10的数量。

UWB定位基站10可以不固定在图2所示的车辆上，而是一部分或者全部UWB定位基站10能够相对于车辆独立地设置在周围的环境中。例如，UWB定位基站10可以设计成独立部件。在消防作业现场，可能由于倒塌的建筑物、起火点、冒烟点和/或障碍物等，使得消防车辆不容易靠近消防作业位置，或者可能阻碍无线信号的传递。通过将UWB定位基站10设计成独立的部件，就能够避开周围环境中的障碍，不受消防车辆的限制，灵活地设置在方便接收无线信号的地点，从而良好地接收UWB定位模块2发出的位置信号。

本系统可以快速部署，自动化程度高。传统的高层消防车到达消防作业现场后需要场地展开支撑臂，放出消防云梯，人员需要爬到云梯顶部实施灭火。在本实施方式中，由于系留无人机无需携带笨重的动力电池和大容量的灭火剂，所以能够减轻无人机的自身重量负担，使得无人机可以快速地飞到数百米(例如600米)的高处。例如，本实施方式可以在到达火场的同时，就自动释放无人机，在5分钟之内无人机可以到达所需的高度实施消防作业。消防作业完成后可以自动降落到无人机停泊平台11上。

此外，由于系留无人机能够从地面站子系统源源不断地获取电力和灭火剂，所以能够长时间(至少1小时)滞留在消防作业位置处进行消防作业。而现有的无人机在携带动力电池和灭火物资升空的情况下，最大续航时间普遍在20分钟左右。

在本实施方式中，采用了基于超宽带(UWB)技术进行精确定位的定位系统(UWB定位模块2和UWB定位基站10)。例如以前述dw1000芯片为例，其定位精度能够达到±10厘米以内。在高层消防作业中，不容易从地面观察到消防作业位置附近的具体情况。本实施方式采用了摄像头5向地面站子系统传送实时拍摄的画面，配合这种高精度的定位系统，能够方便操作人员准确地将无人机子系统定位至期望的消防作业位置。

虽然已经参照示例性实施方式说明了本实用新型，但是应当理解，本实用新型不限于所公开的示例性实施方式。权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包括所有这样的变型、等同结构和功能。

Claims (8)

1.一种系留无人机消防系统，其包括无人机子系统和地面站子系统，其特征在于，

所述无人机子系统中使用了系留无人机，所述地面站子系统通过线缆向所述无人机子系统供给电力和灭火剂；

所述无人机子系统中设置有基于超宽带技术进行定位的定位模块；

所述地面站子系统中设置有定位基站和与所述定位基站信号连接的控制模块，所述定位基站用于接收所述定位模块发出的信号并将该信号转换成所述定位模块的位置信息，然后向所述控制模块发送所述位置信息；以及

所述控制模块向所述无人机子系统发送控制信息，所述无人机子系统根据所述控制信息进行消防作业。

2.根据权利要求1所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

在所述无人机子系统中，所述系留无人机设置有载重挂架，所述载重挂架上搭载至少一个灭火剂容器，所述灭火剂容器与所述线缆中包括的料管线相连接。

3.根据权利要求1或2所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

在所述无人机子系统中，设置有用于喷出灭火剂的喷出部，所述喷出部中至少包括用于喷出灭火剂的喷嘴和位于所述喷嘴后方的反推力螺旋桨。

4.根据权利要求1所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

在所述定位模块中使用dw1000芯片产生符合超宽带技术要求的定位用信号。

5.根据权利要求1或2所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

在所述无人机子系统中设置有姿态感知系统，所述姿态感知系统用于采集所述系留无人机的姿态信息并输出所述姿态信息，

所述姿态感知系统由陀螺仪、加速度计、气压高度计、地磁计和摄像头中的至少一者以及单片机构成。

6.根据权利要求1或4所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

所述定位基站的数量为多个。

7.根据权利要求6所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

所述定位基站中的至少一部分定位基站为能够独立地设置在周围环境中的部件。

8.根据权利要求1所述的系留无人机消防系统，其特征在于，

所述地面站子系统中还包括供电部，所述供电部包括燃料发电机和高压电源转换系统，通过所述高压电源转换系统将所述燃料发电机发出的电力转换成高压电，所述供电部通过所述线缆中包括的能源线将所述高压电输送给所述无人机子系统。