专利名称：一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于自动控制领域，具体涉及一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，该装置能够应用在各类火灾检测及灭火中，特别适于地铁。其综合了无线通讯技术、计算机视觉技术和导航技术，完成对火灾的检测及火灾现场的灭火处理。
背景技术：
下面列举几项与本实用新型相似或相近的现有专利技术:有关火灾检测及控制的技术有很多，以下是几个已经比较成熟的技术的专利:公开号为CN2483782的实用新型专利，其公开了一种控制空气开关的火灾检测控制仪；公开号为CN101826153A的发明，该发明公开了一种基于模式识别理论的火灾检测方法；公开号为CN201638333U的实用新型，其公开了一种船舶上应用的火灾报警控制系统；公开号为CN102298818A的发明，其公开了一种双目摄像火灾探测与定位装置及其火灾定位方法。但是，目前针对地铁环境的火灾检测及控制技术还比较少见。地铁建筑结构复杂、疏散路线长、出入口少、通风照明条件差、人员高度集中、电器设备种类多，一旦发生火灾，以往的检测设备及灭火设备很难进入到火灾区域实现灭火，主要存在以下不足:CN2483782中的控制仪只能在火灾发生时切断空气开关，而不能完成火灾地点的灭火，需要依靠消防车和人工灭火进行的，而地铁环境复杂，通风条件差，消防车不易到达失火地点施救，灭火人员危险系数大；CN102298818A只用双目视觉系统进行监控，存在监控盲区，如果以增加节点布设的方法解决盲区问题，则造成投资成本过高；CN101826153A基于传统摄像头的监控系统，在火势比较大， 浓烟密布的条件下，火灾现场的状况不可见，施救困难。
发明内容为了解决上述现有技术中存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，其能够不受复杂地形的限制，在地铁网络监控不到的区域使用本实用新型直接飞至地铁火灾现场，灭火并移除易燃易爆物品，其解决了消防车不易到达失火地点施救，灭火人员危险系数大的问题，最大程度避免物资的浪费和保证人员的安全。为了完成上述任务，本实用新型采用如下技术方案予以解决:一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，包括机身、机翼、红外摄像机、机械臂、温度传感器、控制板、无线数据传输模块和陀螺仪；所述机身包括圆柱形的机身固定支架以及机翼，所述机翼是由四个分翼组成的十字形支架，该四个分翼安装在圆柱形的机身固定支架内，且将圆柱形的机身固定支架分为四个圆心角为90°的扇形柱；在十字形支架的中心处安装有控制板和陀螺仪；机身内安装有红外摄像机；机翼的四个分翼上分别安装有一台电机以及与该电机通过旋转轴连接的“一字型”的螺旋桨叶片，四个“一字型”螺旋桨叶片到机翼的中心点距离相等；控制板连接每个分翼上的电机，且控制板通过无线数据传输模块与监控中心通信；所述机翼的其中一个分翼上装有机械臂，该机械臂通过安装在该分翼上的机械臂固定支架进行固定；所述温度传感器安装在机身侧面；所述陀螺仪、机械臂、无线数据传输模块分别连接控制板；温度传感器连接无线传输模块；监控中心通过无线传输模块与控制板和温度传感器进行无线通信；无线摄像头与监控中心进行无线通信。进一步的，所述机械臂采用两关节直角坐标系机械手臂，其有两个自由度，含2个TR205舵机。
图1为本实用新型的直升机的侧视图。图2为本实用新型的直升机的仰视图。图3为本实用新型的直升机内部各模块连接图。图中各标号含义:1、机身固定支架，2、分翼，3、控制板，4、陀螺仪，5、螺旋桨叶片，6、电机,7、红外摄像机,8、机械臂,9、机械臂固定支架。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进一步解释说明。
具体实施方式
如图1-图3所示，本实用新型的地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，包括机身、机翼、红外摄像机、机械臂、温度传感器、控制板、无线数据传输模块和陀螺仪。所述机身包括圆柱形的机身固定支架以及机翼，机翼是由四个分翼组成的十字形支架，该四个分翼安装在圆柱形的机身固定支架内，且将圆柱形的机身固定支架分为四个圆心角为90°的扇形柱。在十字形支架的中心处安装有控制板和陀螺仪；机翼的四个分翼上分别安装有一台电机以及与该电机通过旋转轴连接的“一字型”螺旋桨叶片，四个“一字型”螺旋桨叶片到机翼的中心点距离相等。每个电机驱动与其连接的“一字型”螺旋桨叶片旋转；电机采用EMAX无刷电机BL2215/20。尺寸:22x15mm ;轴径:3mm ;重量:59g ;最大工作电流:13A ;最大拉力可达1.2kg。机翼用来控制机身的航向和速度，例如接到前进指令时，前面两个机翼的电机转速下降，后面两个机翼的转速上升，这时机身的前部略微向下倾斜且向前飞行。通过对四个电机转速的控制，机身能够实现前进，后退，左转，右转等各种飞行姿态。所述控制板连接每个分翼上的电机，且控制板通过无线数据传输模块与监控中心通信。控制板采用STM32F103“增强型”单片机作为核心控制芯片。它适合本实用新型的特点有:具有嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核；时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；内置128K的闪存；正常工作时功耗为36mA，是32位市场上功耗最低的产品。高性能、低成本、低功耗是它在同类产品中主要的优势。该控制板主要实现以下功能:接收监控中心的指令控制机翼上的电机，实现飞行控制；接收监控中心指令控制机械臂电机，实现机械臂动作控制；将陀螺仪的信号通过无线数据传输模块发给监控中心；设定时间内接收不到监控中心指令时，根据陀螺仪的输出信号，控制本实用新型的直升机着陆。机身内装有红外摄像机。本实施例中采用采用无线网络摄像机SunEyes:型号SP-HOlff ;广角镜头焦距3.6mm ;有效距离0_10米。红外摄像机仔利用自身的无线通信模块与监控中心实时传输数据。其用于录制火灾现场的视频，并通过无线方式传输到监控中心，为监控中心发控制 指令提供依据。该摄像头适用于本实用新型的特点有:采用优化H.264视频压缩算法，降低了无线传输的数据量，传输速率最高可达每秒钟30帧；自带红外灯，并且采用双滤光片日夜自动切换(IR-⑶T)，在地铁中某些光线不足或者浓烟比较大的环境下，可以保证视频质量清晰；可插TF卡保存录像，自带云台，支持水平355°，上下90°范围转动，在直升机不方便转动的条件下，顺利实现视频采集。所述机翼的其中一个分翼上装有机械臂，该机械臂通过安装在该分翼上的机械臂固定支架进行固定，该机械臂采用两关节(肘关节和爪子)直角坐标系机械手臂，其有两个自由度，总重量208g ;含2个TR205舵机，扭力6.5kg ;爪子为全铝合金材质，最大张角间距55mm(爪子可以增设扩展板,不加扩展板的时候最大张角间距55mm,安装扩展板之后最大是95mm);爪子整体长度108mm (爪子闭合时的整体最长长度);爪子整体宽度98mm (爪子张开时的最大整体宽度)。机械手臂有两个自由度，能够实现前后移动和抓握，其主要功能是灭火以及移除火灾现场的易燃易爆物品。所述温度传感器安装在机身侧面，用于检测火灾现场周围的温度，其采用DS18B20数字温度传感器，该温度传感器接线方便，封装后可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种数字测温和控制领域。所述无线数据传输模块采用APC220-43模块，其功耗小，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高。APC220-43模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。能够透明传输任何大小的数据，传输距离较远。无线数据传输模块用于与监控中心传输数据；监控中心安装无线数据传输模块，以相互配合实现无线通信。无线数据传输模块用于:传输监控中心对机身运行的控制指令到控制板，控制板再将该指令传送给四个电机，实现直升机的前进、后退、转向等等功能；传输监控中心对机械臂的控制指令到控制板，控制板再将该指令传送给机械臂的舵机，机械臂有两个自由度，可以实现前后移动和抓握；将温度传感器采集的实时温度数据传输到监控中心。所述陀螺仪采用 ADXRS系列陀螺仪，本实施例中采用四轴ADXRS610陀螺仪，由美国模拟器件公司制造，集成微电子机械系统(iMEMS)专利工艺和BIMOS工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。与同类功能的陀螺仪相比，ADXRS系列陀螺仪具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。它直接与控制板相连，由控制板处理陀螺仪的输出信号，它的作用:在直升机正常飞行时，监测直升机飞行姿态角，并将该信息传到控制板，控制板将该信息传送到监控中心，为监控中心发出指令做依据；在监控中心发出的指令丢包的情况下，控制板可以根据陀螺仪传回的数据对飞行姿态进行校正，在短时间内保证直升机飞行的稳定性；如果长时间收不到监控中心的数据，控制板根据陀螺仪的输出信号，控制直升机平稳着陆。如图3所示，所述陀螺仪、机械臂、无线数据传输模块分别连接控制板；温度传感器连接无线传输模块；监控中心通过无线传输模块与控制板和温度传感器进行无线通信；无线摄像头与监控中心进行无线通信。本实用新型的工作原理如下:温度传感器实时采集地铁火灾现场的温度信息，将该温度信息通过无线数据传输模块传回监控中心，监控中心根据传回的温度数据判断机身能够到达的灭火位置避免烧坏。如果火势较大，本实用新型不能完成灭火，则消防部门可以根据其传回的温度数据判断救火人员能够到达的区域，从而制定合理的灭火方案。如果本实用新型能够进行灭火，则监控中心根据控制板传回的陀螺仪监测的机身的飞行姿态信息，对飞行姿态进行校正，并通过无线网络向控制板发出控制指令，控制板控制机翼上每个分翼的电机的转速，从而实时调整飞行姿态以保证机身飞行的稳定性。红外摄像机实时采集现场的图像信息，并通过控制板连接的无线数据传输模块传回监控中心，监控中心通过无线网络向控制板发出控制指令，控制板将该指令传送给机械臂的舵机，舵机控制机械臂实现前后移动和抓握，操纵携带的灭火器进行灭火，并且移除现场的易燃易爆物品；在监控中心发出的指令丢包的情况下，控制板可以根据陀螺仪发送的数据对飞行姿态进行校正，在短时间内保证直升机飞行的稳定性；如果长时间收不到监控中心的数据，控制板根据陀螺仪的输出信号，控制直升机平稳着陆。本实用新型适用于地铁环境的效果:(I)能够在地铁复杂的环境下，顺利通行，到达火灾地点采集现场信息。(2)集成长波红外无线传输摄像头，且采用双滤光片日夜自动切换(IR-⑶T)，在地铁中某些光线不足环境下，或者火灾浓烟比较大的情况下可穿透浓烟，保证视频质量清晰。自带云台，支持水平355°，上下90°范围转动，保证载台不方便转动的条件下，顺利实现视频采集，帮助监控中心和消防部门分析火情。(3)利用双自由度的机械手臂以移除火灾现场的易燃易爆物品，防止火势扩大，整个过程无需消防人员参与现场。(4)通过温度传感器实时采集地铁火灾现场的温度信息，依次判断是否自动干预或者根据传回的温度数据选择适合的救火方式，判断救火人员能够到达的区域。(5)监控中心与设备之间的通讯均为无线方式，包括机身运行状态、机械臂动作的控制、温度传感器的数据采集。有效解决有线方式不易实现，且成本比较高的缺点。(6)控制板上集·成陀螺仪，能够保证直升机飞行的稳定性。
权利要求1.一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，其特征在于，包括机身、机翼、红外摄像机、机械臂、温度传感器、控制板、无线数据传输模块和陀螺仪；所述机身包括圆柱形的机身固定支架以及机翼，所述机翼是由四个分翼组成的十字形支架，该四个分翼安装在圆柱形的机身固定支架内，且将圆柱形的机身固定支架分为四个圆心角为90°的扇形柱；在十字形支架的中心处安装有控制板和陀螺仪；机身内安装有红外摄像机；机翼的四个分翼上分别安装有一台电机以及与该电机通过旋转轴连接的“一字型”的螺旋桨叶片，四个“一字型”螺旋桨叶片到机翼的中心点距离相等；控制板连接每个分翼上的电机，且控制板通过无线数据传输模块与监控中心通信；所述机翼的其中一个分翼上装有机械臂，该机械臂通过安装在该分翼上的机械臂固定支架进行固定；所述温度传感器安装在机身侧面；所述陀螺仪、机械臂、无线数据传输模块分别连接控制板；温度传感器连接无线传输模块；监控中心通过无线传输模块与控制板和温度传感器进行无线通信；无线摄像头与监控中心进行无线通信。
2.如权利要求1所述的地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，其特征在于，所述机械臂采用两关节直角坐标 系机械手臂，其有两个自由度，含2个TR205舵机。
专利摘要本实用新型公开了一种地铁火灾自动检测及处理的无人直升机，包括机身、机翼、红外摄像机、机械臂、温度传感器、控制板、无线数据传输模块和陀螺仪；机身包括圆柱形的机身固定支架以及机翼，机翼由四个分翼组成；在十字形支架的中心处安装有控制板和陀螺仪；四个分翼上分别安装有一台电机以及与其连接的“一字型”的螺旋桨叶片；控制板连接每个分翼上的电机，且控制板通过无线数据传输模块与监控中心通信；所述机翼的其中一个分翼上装有机械臂，该机械臂通过安装在该分翼上的机械臂固定支架进行固定；本实用新型能够直接飞至地铁火灾现场，灭火并移除易燃易爆物品，其解决了消防车不易到达失火地点施救，灭火人员危险系数大的问题。
文档编号A62C37/00GK203108029SQ201220734930
公开日2013年8月7日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者武奇生, 李艳波, 白璘, 高荣, 李博 申请人:长安大学