一种基于无人机的应急救援方舱系统的制作方法

本发明属于救援无人机技术领域，具体涉及一种基于无人机的应急救援方舱系统。

背景技术：

近年来，无人机技术突飞猛进，其在测绘、安防、影视、农业、电力、科研等都有广泛的应用并已经出现了许多成熟应用的案例，例如在医学救援领域，无人机在汶川地震、雅安地震等突发灾害事件救援中均表现出不可替代的作用；

自然灾害事发突然且常伴有次生灾害发生，近年，频发的灾害事件造成了巨大的人员伤亡和财产损失，而在救援活动往往受到环境、时间的限制而无法及时掌握灾情并展开救援，并且常常因为灾害发生后交通受阻，大型机器无法及时进入灾害现场，不能及时对现场进行有效的救援与清理，从而导致不能及时达到救援目的，影响了救援进度的进行；

无人机在救援过程中能够不受起飞场地限制，可快速部署且具备一定侦测能力、载荷能力和通信能力的空中平台成为救援行动首选的最为快捷实用的装备手段，考虑到最大限度减少人员伤亡并降低费效比，无人机平台具有造价低、操控灵活、使用简便、体积小、重量轻等载人机和航拍卫星不可比拟的优势，同时具备抗风能力强、起飞方式多样和飞行环境要求低、安全系数高、自主控制能力强等特点，可根据需求在中低空任意切换高程，非常适合完成各类抢险救援任务，而在现有救援系统中，并没有将无人机运用到救援中的相关理论，也没有设计出完整的无人机参与救援过程的救援系统，缺少一种完整的无人机参与救援灾后救援的系统。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于无人机的应急救援方舱，通过将悬挂系统和救援方舱与多旋翼无人机平台结合，在使用时，可以通过无人机对紧急救援物资进行运输，使得灾后的救援物资可以第一时间到达灾区，给灾区人民提供便利，具有机动性高、使用便利、且运输成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于无人机的应急救援方舱系统，包括多旋翼无人机搭载平台、悬挂系统、救援方舱，多旋翼无人机搭载平台为多旋翼无人机，且在无人机的机身上设置有栓接孔，连接栓穿过栓接孔和设置在悬挂系统上的栓接孔，将无人机与悬挂系统连接，救援方舱悬挂在悬挂系统内，且在救援方舱内储存有救援设备；

所述悬挂系统为悬挂桶，在悬挂桶内设置有连接套筒、升降机构、夹紧机构、悬挂板、降落缓冲机构和方舱托扶机构，连接套筒设置在悬挂桶的顶壁上，与栓接孔配合使用，升降机构对称设置在悬挂板的两侧，用来调节悬挂板的高度，夹紧机构和方舱托扶机构用于对救援方舱进行固定；

所述救援方舱为与悬挂桶配合使用的储物桶，储物桶包括桶体、桶盖和调节件，桶盖盖合在桶体上。

优选的，所述的升降机构包括丝杆、轴承、第一齿轮、第一升降电机和第二齿轮，丝杆穿过设置在悬挂板上的丝孔，纵向设置悬挂桶内，轴承嵌设在丝杆两端的悬挂桶内壁上，与丝杆的端部连接，所述第一齿轮固定设置在丝杆上，且与第二齿轮相互啮合，第二齿轮安装在第一升降电机的传动端，通过第一升降电机驱动悬挂板升降。

优选的，所述的夹紧机构包括驱动组件和抱死组件，驱动组件包括第二夹紧电机、第三齿轮、减速齿盘和第四齿轮，减速齿盘和第四齿轮分别位于悬挂板的上、下两侧，且减速齿盘与第四齿轮之间通过连接轴和轴承连接，所述第三齿轮与设置在减速齿盘上的齿相互啮合，且第三齿轮与第二夹紧电机的传动端连接，通过第二夹紧电机驱动第四齿轮转动。

优选的，所述的抱死组件等距设置在驱动组件的周边，包括对重块、第五齿轮、驱动轴和紧固连接件，对重块与第五齿轮分别设置在悬挂板的上、下两侧，且对重块与第五齿轮之间通过轴承和驱动轴连接，所述第五齿轮和紧固连接件均固定套设在驱动轴上，其中第五齿轮与第四齿轮啮合，通过第四齿轮带动第五齿轮转动，利用紧固连接件将储物桶抱紧。

优选的，紧固连接件包括限位板、连接臂和连接套，连接套与驱动轴配合使用，且限位板与连接套之间通过连接臂连接，所述限位板为与储物桶外壁配合使用的弧形板，且在限位板的内侧设置有橡胶限位块与储物桶的外壁接触。

优选的，所述的降落缓冲机构对称设置在悬挂桶的下侧底壁上，包括缓冲底座、伸缩杆、导杆、第一复位弹簧、电磁铁和第二复位弹簧，电磁铁为环形磁铁，固定设置在悬挂桶侧壁上的伸缩槽内，导杆穿过电磁铁设置，第二复位弹簧套接在导杆上；所述伸缩杆为空心管，导杆活动套接在伸缩杆内，且在伸缩杆的上端部设置有永磁铁，永磁铁与电磁铁配合使用，所述第一复位弹簧设置在永磁铁与伸缩槽底壁之间，缓冲底座设置在伸缩杆的末端，且在缓冲底座的底端设置有若干触地凸起与地面接触。

优选的，所述的方舱托扶机构设置在悬挂桶的下侧底壁上，包括第三托扶电机、第一伞齿轮、第二伞齿轮和第一凸轮，第三托扶电机设置在悬挂桶的下侧底壁上，第一伞齿轮设置在第三托扶电机的动力输出端，且与第二伞齿轮相互啮合，第二伞齿轮通过转轴和轴承与第一凸轮连接，利用第一凸轮对储物桶的底部进行托扶。

优选的，所述的桶体由外而内依次包括外壳体、结构体和内壳体，外壳体和内壳体均为易碎壳体，且在外壳体与结构体、结构体与内壳体之间的空腔内均设置有压缩气囊；所述结构体为双层钢桶，在双层钢桶的内部空腔中填充有压缩气体，且在结构体的内外侧桶壁上均设置有电磁阀，电磁阀与压缩气囊的进气口连接。

优选的，所述的结构体的内侧壁上设置有若干限位环，限位环与限位绳连接，且在限位绳的另一端设置有锁扣，锁扣与限位环配合使用，对救援设备进行固定。

优选的，所述的桶盖上设置有调节槽，调节槽内安装有调节轴，调节轴上设置有十字卡槽，十字卡槽与设置在调节件下端的十字凸起配合使用；且在桶盖的内腔中设置有锁紧机构与调节轴配合使用；所述锁紧机构包括第六齿轮、第七齿轮和第二凸轮，第六齿轮设置在调节轴的末端，第七齿轮等距设置在第六齿轮的周围，且与第六齿轮相互啮合，通过第六齿轮驱动第七齿轮转动，所述第二凸轮通过连轴设置在第七齿轮的下端，与第七齿轮同轴转动，第二凸轮能够从设置在桶盖上的锁孔内伸出或者缩回，且所述第二凸轮还与设置在桶体上端沿口部的锁合槽配合使用。

本发明的有益效果是：本发明具体公开了一种基于无人机的应急救援方舱系统，与现有技术相比，其优点在于：

（1）利用无人机吊挂方舱进行应急救援，开拓了无人机在突发事件中应急救援的新应用，增强了应急救援能力，在救援过程中，具有反应快、机动能力强的特点；

（2）设计基于多旋翼无人机的的悬挂系统和救援方舱，在使用时，将救援物资储存在救援方舱内，利用多旋翼无人机进行运输和投放，在救援过程中，可以安全快速获取灾情信息、及时调度投送应急物资、精准科学搜索被困目标，具有反应快、机动能力强、经济效益高的优点。

（3）本发明所述的悬挂系统和应急救援方舱是一种配置合理功能齐全，从保障效能的角度看该方舱是一种空投快取式，不受地面运输毁坏的制约，能机动快速反应为抢险救援提供可靠保障，极大提高抢险效率，同时救援方舱中装载设备齐全多样，极大地满足了在抢险救援中的应用需求。

附图说明

图1为本发明基于无人机的应急救援方舱系统的结构示意图。

图2为本发明基于无人机的应急救援方舱系统的分解图。

图3为本发明悬挂桶的剖视图。

图4为本发明悬挂桶a处的局部放大图。

图5为本发明悬挂桶b处的局部放大图。

图6为本发明悬挂桶c处的局部放大图。

图7为本发明夹紧机构的结构示意图。

图8为本发明夹紧机构的俯视图。

图9为本发明紧固连接件的结构示意图。

图10为本发明储物桶的结构示意图。

图11为本发明锁紧机构的结构示意图。

图12为本发明锁紧机构的俯视图。

图13为本发明桶体俯视角度的剖视图。

其中：1.悬挂桶，11.连接套筒，12.升降机构，121.丝杆，122.轴承，123.第一齿轮，124.第一升降电机，125.第二齿轮，13.夹紧机构，131.第二夹紧电机，132.第三齿轮，133.减速齿盘，134.对重块，135.第四齿轮，136.第五齿轮，137.驱动轴，138.紧固连接件，1381.限位板，1382.连接臂，1383.连接套，1384.橡胶限位块，14.悬挂板，141.丝孔，15.降落缓冲机构，151.缓冲底座，152.伸缩杆，153.导杆，154.第一复位弹簧，155.电磁铁，156.第二复位弹簧，157.永磁铁，16.方舱托扶机构，161.第三托扶电机，162.第一伞齿轮，163.第二伞齿轮，164.第一凸轮，2.无人机，21.栓接孔，3.储物桶，31.桶体，311.锁合槽，312.外壳体，313.压缩气囊，314.结构体，315.内壳体，316.电磁阀，317.限位环，318.限位绳，319.锁扣，32.桶盖，321.调节槽，322.调节轴，323.第六齿轮，324.第七齿轮，325.第二凸轮，326.连轴，327.锁孔，33.调节件。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-13所示，一种基于无人机的应急救援方舱系统，用于在后物资运输，包括多旋翼无人机搭载平台、悬挂系统、救援方舱和连接栓4，多旋翼无人机搭载平台为多旋翼无人机2，且在无人机2的机身上设置有栓接孔21，连接栓4穿过栓接孔21和设置在悬挂系统上的连接套筒11，将无人机2与悬挂系统连接，救援方舱悬挂在悬挂系统内，且在救援方舱内储存有救援设备，利用无人机对救援设备进行运输；

所述悬挂系统为悬挂桶1，在悬挂桶1内设置有连接套筒11、升降机构12、夹紧机构13、悬挂板14、降落缓冲机构15和方舱托扶机构16，连接套筒11设置在悬挂桶1的顶壁上，与栓接孔21配合使用，利用连接栓4依次穿过栓接孔21与连接套筒11，将悬挂桶1与无人机2连接；所述升降机构12对称设置在悬挂板14的两侧，用来调节悬挂板14的高度，夹紧机构13和方舱托扶机构16用于对救援方舱进行固定，降落缓冲机构15设置在悬挂桶1下侧，起缓冲作用，在无人机2下降的过程中对悬挂桶1进行保护；

所述救援方舱为与悬挂桶1配合使用的储物桶3，储物桶3包括桶体31、桶盖32和调节件33，桶盖32盖合在桶体31上，通过锁紧机构进行紧锁，防止在投放过程中，桶盖32与桶体31分离，所述调节件33用于投放后打开桶盖32，取出内部的救援物资。

优选的，所述的升降机构12包括丝杆121、轴承122、第一齿轮123、第一升降电机124和第二齿轮125，所述丝杆121穿过设置在悬挂板14上的丝孔141，且与丝孔141内的丝相互咬合，丝杆121纵向设置悬挂桶1内，轴承122嵌设在丝杆121两端的悬挂桶内壁上，与丝杆121的端部转动连接，所述第一齿轮123固定设置在丝杆121上，且第一齿轮123与第二齿轮125相互啮合，第二齿轮125安装在第一升降电机124的传动端，即在使用时，通过第一升降电机124驱动第二齿轮125转动，通过第二齿轮125与第一齿轮123之间的啮合力，来驱动丝杆121转动，从而驱动悬挂板14升降，来调节悬挂板14的高度，便于在往悬挂桶1内放置储物桶3的过程中与方舱托扶机构配合使用，使得储物桶3可以被紧紧的固定在悬挂桶1的空腔内，避免运输的时候由于储物桶3的移动对无人机2的平衡造成影响。

优选的，为了对储物桶3进行固定，所述夹紧机构13包括驱动组件和抱死组件，通过驱动组件工作推动抱死组件动作，将储物桶3抱死，防止其移动，驱动组件包括第二夹紧电机131、第三齿轮132、减速齿盘133和第四齿轮135，所述减速齿盘133和第四齿轮135分别位于悬挂板14的上、下两侧，且减速齿盘133与第四齿轮135之间通过连接轴和轴承连接，所述第三齿轮132与设置在减速齿盘133相互啮合，且第三齿轮132与第二夹紧电机131的传动端连接，即在使用时，通过第二夹紧电机131转动带动第三齿轮132转动，第三齿轮132驱动减速齿盘133（起传动和减速作用）转动，减速齿盘133带动第四齿轮135转动同轴转动，驱动抱紧组件将储物桶3抱紧；所述抱死组件等距设置在驱动组件的周边，包括对重块134、第五齿轮136、驱动轴137和紧固连接件138，对重块134与第五齿轮136分别设置在悬挂板14的上、下两侧，且对重块134与第五齿轮136之间通过轴承和驱动轴137连接，所述第五齿轮136和紧固连接件138均固定套设在驱动轴137上，以驱动轴137为轴进行同轴转动，其中第五齿轮136与第四齿轮135啮合，通过第四齿轮135带动第五齿轮136转动，第五齿轮136转动带动紧固连接件138转动，利用紧固连接件138将储物桶3抱紧；所述紧固连接件138包括限位板1381、连接臂138和连接套1383，连接套1383与驱动轴137配合使用（驱动轴137穿过连接套1383），且限位板1381与连接套1383之间通过连接臂1382连接，所述限位板1381为与储物桶3外壁配合使用的弧形板，且为增强摩擦力，在限位板1381的内侧设置有橡胶限位块1384与储物桶3的外壁接触，对储物桶3的位置进行固定。

优选的，所述方舱托扶机构16设置在悬挂桶1的下侧底壁上，包括第三托扶电机161、第一伞齿轮162、第二伞齿轮163和第一凸轮164，第三托扶电机161设置在悬挂桶1的下侧底壁上，第一伞齿轮162设置在第三托扶电机161的动力输出端，且与第二伞齿轮163相互啮合，第二伞齿轮163通过转轴和轴承与第一凸轮164连接，即在使用时，通过第三托扶电机161转动，驱动第一凸轮164转动，利用第一凸轮164对储物桶3的底部进行托扶，防止其滑落。

优选的，所述降落缓冲机构15对称设置在悬挂桶1的下侧底壁上（等距设置有4个），包括缓冲底座151、伸缩杆152、导杆153、第一复位弹簧154、电磁铁155和第二复位弹簧156，电磁铁155为环形磁铁，固定设置在悬挂桶1侧壁上的伸缩槽内，导杆153（起导向作用）穿过电磁铁155设置在伸缩槽内，第二复位弹簧156套接在导杆153上，起缓冲减震作用；所述伸缩杆152为空心管，导杆153活动套接在伸缩杆152内，且在伸缩杆152的上端部设置有永磁铁157，永磁铁157与电磁铁155配合使用，所述第一复位弹簧154设置在永磁铁157与伸缩槽底壁之间，起复位和缓冲作用，缓冲底座151设置在伸缩杆152的末端，且在缓冲底座151的底端设置有若干触地凸起与地面接触；在无人机2进行运输作业时，所述电磁铁155通电，通过电磁铁155与永磁铁157之间的磁力，伸缩杆152向上运动，使得缓冲底座151卡入下方的梯形卡槽内，避免在飞机运输过程中，缓冲底座151与树枝或者其他遮挡物发生碰撞，保证无人机2的正常飞行，而当无人机在降落过程中，通过控制系统断开电磁铁155的通电，使得电磁铁155失去磁性，伸缩杆152在第一复位弹簧154和第二复位弹簧156恢复形变的作用力下重新弹出，在无人机2的过程中对悬挂桶1进行保护。

优选的，为防止桶体31在投放的过程中发生损坏，设计如下的桶体31，所述桶体31由外而内依次包括外壳体312、结构体314和内壳体315，外壳体312和内壳体315均为易碎壳体，结构体314与内壳体315之间的空腔内均设置有压缩气囊313；所述结构体314为双层钢桶（类似于气压罐），在双层钢桶的内部空腔中填充有压缩气体，且在结构体314的内外侧桶壁上均设置有电磁阀316，电磁阀316与压缩气囊313的进气口连接；在储物桶3投放下落的过程中，一旦检测到储物桶3与地面的距离大于安全距离时，控制系统便打开电磁阀316，结构体314内的压缩气体便会迅速的充入到压缩气囊313内，使得外壳体312与内壳体315在压缩气囊313变形力的作用下被涨破，压缩气囊313便会迅速充满气体，以减轻降落到地面时与地面之间的最用力，防止储物桶3在降落过程中发生损坏，对储物桶3的整体结构和储存在内部的救援物资进行保护，同时可以使得本储物桶3的多次使用；同时，为便于在放置时对救援设备进行固定，在所述的结构体314的内侧壁上设置有若干限位环317，限位环317与限位绳318连接，且在限位绳318的另一端设置有锁扣319，锁扣319与限位环（317）配合使用，对救援设备进行固定。

优选的，所述桶盖32上设置有调节槽321，调节槽内安装有调节轴322，调节轴322上设置有十字卡槽，十字卡槽与设置在调节件33下端的十字凸起配合使用；且在桶盖32的内腔中设置有锁紧机构与调节轴322配合使用，对桶盖32与桶体31进行紧锁；所述锁紧机构包括第六齿轮323、第七齿轮324和第二凸轮325，第六齿轮323设置在调节轴322的末端，随调节轴322同轴转动，第七齿轮324等距分布在第六齿轮323的周围，且与第六齿轮323相互啮合，通过第六齿轮323驱动第七齿轮324转动；且所述第二凸轮325通过连轴326设置在第七齿轮324的下端，与第七齿轮324同轴转动，使得第二凸轮325能够从锁孔327内伸出或者缩回，

且第二凸轮325与设置在桶体31上端沿口部的锁合槽311配合使用，通过第二凸轮325卡合在锁合槽311内，对对桶盖32与桶体31进行紧锁。

实施例1：

一种基于无人机的应急救援方舱系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建无人机平台：综合考虑多旋翼无人机的性能、负载、动力级以及抗风等级等因素，对其进行配平，线性化，分析方舱对系统稳定性的影响，搭建确保八旋翼无人机能够稳定飞行的多旋翼无人机的非线性模型；

所述搭建无人机平台的具体步骤为：s1.搭建多旋翼无人机平台：多旋翼无人机多旋翼无人机具备直升机能够垂直起降、定点悬停的优点，结构又比直升机简单，体积更小，可维护性强，使得多旋翼无人机在物流运输方面具备很多优势，综合考虑八旋翼无人机的上述优点、性能、负载、成本等因素，拟设计并搭建带悬挂方舱的八旋翼无人机硬件平台，开发飞行控制软件，设计搭建测试装置；

s2.建立无人机飞行过程中的方舱模型：在搭建好的八旋翼无人机平台的基础上：a.分析方舱与八旋翼无人机之间的耦合，计算方舱作用在八旋翼无人机上的力和力矩；b.研究建立旋翼的动力学模型，从而计算出八个旋翼作用在机体上的合力与合力矩；c.结合机身重力与空气阻力，运用牛顿定律，建立八旋翼无人机模型；

s3.搭建八旋翼无人机系统模型：研究搭建多旋翼系统模型，对其进行配平，线性化，分析方舱对系统稳定性的影响，利用线性化模型设计控制器，确保八旋翼无人机能够稳定飞行；

步骤二：方舱结构设计，综合考虑方舱在配合无人机使用时的风阻、救援设备的种类、救援设备的存放固定方式以及方舱着陆时的着陆冲击等因素，设计满足要求的应急救援方舱；

所述所述的具体步骤为：s1.利用步骤一建立的八旋翼无人机的动力学模型确定无人机的最大搭载质量，确定方舱及方舱内物资整体的最大质量；根据飞行时的气流影响，设计符合要求的方舱外形尺寸，综合考虑上述因素，建立合适的方舱模型；

s2.根据救援设备的类型，确定方舱的内部空间及设备固定方式，方舱装载的应急救援设备，对被困人员实施救援应能满足航空、铁路、公路及水路运输的要求，可实现快速空投，应急救援设备应根据实际应用需求确定，应急救援设备有生命探测仪、导航定位设备、医疗装备（心电监护仪、呼吸机、输液泵、吸痰机、听诊器、血压计等）、专业救援作业装备（医疗试剂盒、哨子、压缩饼干、扩音器等）、辅助装备（吊索、绞车、带测力计和反光镜的外吊挂、搜索灯等照明装备、供电设备、紧急返航信号灯等）、灭火装备、通信装备等；救援设备应为定制、定位储存，叠加收拢式取、放，根据抢险任务的要求对机具进行优化组合，机具的动力源采用一机多用，根据不同的压力等级设计接口转换实现资源共享目的，满足功能需求的最佳优化配置，在设备布局中采用叠加式的摆放，箱体设计成外敞式的取、放结构，充分利用周围的外部空间进行取、放操作，达到内部密集式的集成，以最小的空间存放更多设备；

s3.根据搭载的救援设备方舱降落时受到的冲击设计方舱降落时的缓冲装置，研究方舱材料、初始状态、着陆地面情况、着陆时间、着陆速度等对方舱着陆时冲击力的影响，对方舱进行着陆冲击仿真，计算舱体内物资在冲击过程中的动态响应，根据舱体内物资的安全性与舱体结构参数的关系，优化方舱结构设计；根据方舱着陆的冲击模型，研究方舱的缓冲减震技术，减少着陆时冲击震荡，保证舱体内物资的安全性。研究空气缓冲技术、液压缓冲技术等的特点，减少对方舱着陆时的震动冲击；

步骤三：搭建无人机应急救援方舱系统，根据步骤一搭建的无人机平台和步骤二设计的方舱，进行装载不同质量物资的系统飞行实验以及方舱空投过程中及着陆时舱体的冲击震荡情况，给出科学的量化方舱冲击过程中的动态响应，确定最佳的无人机应急救援方舱系统；

所述搭建无人机应急救援方舱系统的具体步骤为：

s1.利用吊挂系统将无人机平台与救援方舱连接，形成基于无人机的应急救援方舱系统；

s2.研究方舱内物资位置不同对无人机系统飞行稳定性的影响，在方舱内装载同质量物资分别装载在方舱不同位置时，进行飞行实验；

s3.对无人机装载不同质量物资的方舱在不同飞行高度进行空投，分析不同飞行高度对同质量物资方舱空投时及不同质量物资的方舱在相同飞机高度空投时，方舱空投过程中及着陆时舱体的冲击震荡情况，给出科学的量化方舱冲击过程中的动态响应，确定最佳的无人机应急救援方舱系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。