消防无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种消防无人机。


背景技术：

2.随着无人机技术在现代社会各行各业的广泛应用，无人机与传统技术相结合，改善传统技术弱点已经成为行业发展的必然趋势。目前，将无人机技术应用到消防救援工作中，对提高救援效率、救援安全性等方面而言具有十分重要的现实意义。
3.然而，现有的消防无人机难以克服因喷水作业时的后坐力产生的摇晃或倾斜，稳定性较差。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有消防无人机存在的作业不平稳的问题，提供一种平稳性好、安全可靠的消防无人机。
5.一种消防无人机，用于高空灭火，包括：
6.无人机本体；
7.消防组件和多个伸缩件，设置于所述无人机本体的下方；每一所述伸缩件的相对两端分别铰接于所述无人机本体及所述消防组件；
8.主控制器，设于所述无人机本体上；以及
9.检测件，设于消防组件上且电连接于所述主控制器，所述检测件用于检测所述消防组件的位置信息；
10.其中，所述主控制器与所述伸缩件电连接，所述主控制器用于实时根据所述消防组件的位置信息控制所述伸缩件的长度，以调整所述消防组件的位姿而使所述消防组件处于水平状态。
11.在其中一个实施例中，所述无人机本体包括机身、连接于所述机身的旋翼臂组件，以及设置于所述旋翼臂组件且与所述伸缩件一一对应的多个第一旋翼组件；
12.每一所述伸缩件的相对两端分别铰接于对应的所述第一旋翼组件及所述消防组件。
13.在其中一个实施例中，所述旋翼臂组件包括位于所述机身沿第一方向的相对两侧且沿第二方向延伸的两个第一臂，以及沿第一方向延伸的两个第二臂；
14.其中一所述第二臂的纵长两端分别连接于两个所述第一臂沿所述第二方向的一侧，另一所述第二臂的纵长两端分别连接于两个所述第一臂沿所述第二方向的另一侧；所述消防组件沿所述第二方向延伸，且位于所述机身的下方；所述第一方向和所述第二方向相交。
15.在其中一个实施例中，所述第一旋翼组件和所述伸缩件均设置有四个；
16.所述第一臂和所述第二臂的连接处设有一所述第一旋翼组件。
17.在其中一个实施例中，所述第一旋翼组件包括设于所述第一臂和所述第二臂的连
接处的连接座以及位于所述连接座的外侧的至少一第一电动桨叶；
18.每一所述伸缩件远离所述消防组件的一端铰接于对应的所述第一旋翼组件的所述连接座的底部。
19.在其中一个实施例中，所述连接座上设置有次控制器；
20.所述次控制器与所述第一旋翼组件一一对应，且分别与所述主控制器和对应的所述第一旋翼组件电连接。
21.在其中一个实施例中，所述连接座上还设置有速度调节件，所述速度调节件用于调节所述第一电动桨叶的转速，且与相邻的所述次控制器电连接。
22.在其中一个实施例中，所述旋翼臂组件还包括两个第三臂，每一所述第一臂上连接有一所述第三臂，所述第三臂远离对应的所述第一臂的一端设有第二旋翼组件。
23.在其中一个实施例中，定义平行于所述第一方向且平行所述第二方向的平面为第一平面；
24.所述第三臂与所述第一平面呈预设夹角。
25.在其中一个实施例中，每一所述第二旋翼组件包括设于对应的所述第三臂的驱动件，以及沿第三方向间隔设置的两个第二电动桨叶；
26.两个所述第二电动桨叶同轴设于所述驱动件的输出端，以在所述驱动件的驱动下转动。
27.上述消防无人机，在消防作业时，消防组件向前喷水，消防无人机由于后坐力向后倾斜。为了保持消防组件的水平稳定，在无人机本体与位于无人机本体下方的消防组件之间设置多个伸缩件，且伸缩件的相对两端分别铰接于无人机本体和消防组件。无人机本体上的主控制器实时接收消防组件上的检测件的检测信号，判断消防组件是否处于水平稳定状态，如果不稳定，则计算出使消防组件稳定所需的数学模型，并调节伸缩件的长度，使得无人机本体向前产生倾斜以产生水平向前的分力来抵御消防组件因向前喷水而产生的后坐力，调整所述消防组件的位姿而使所述消防组件始终处于水平状态，避免由于消防组件倾斜而导致的消防作业受到影响。
附图说明
28.图1为本发明的一实施例中的消防无人机的结构示意图；
29.图2为本发明的一实施例中的消防无人机在前后水平时的示意图；
30.图3为本发明的一实施例中的消防无人机在前后倾斜时的示意图；
31.图4为本发明的一实施例中的消防无人机在左右水平时的示意图；
32.图5为本发明的一实施例中的消防无人机在左右倾斜时的示意图；
33.图6为本发明的一实施例中的消防无人机另一视角的结构示意图；
34.图7为本发明的一实施例中的第一臂与主控制器连接处的开槽示意图；
35.图8为本发明的一实施例中的消防无人机的控制流程示意图。
36.图中：100、消防无人机；10、无人机本体；20、消防组件；21、水泵；22、水泵电机；23、喷水龙头；24、消防软管；30、伸缩件；40、图像组件；50、次控制器；60、速度调节件；70、系留电缆；f1、第一方向；f2、第二方向；f3、第三方向；11、机身；111、机身本体；112、支腿；12、旋翼臂组件；121、第一臂；122、第二臂；123、第三臂；13、第一旋翼组件；131、连接座；132、第一
电动桨叶；14、第二旋翼组件；m1、第一平面；141、驱动件；142、第二电动桨叶。
具体实施方式
37.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。但是本发明能够以很多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改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
43.随着无人机技术在现代社会各行各业的广泛应用，无人机与传统技术相结合，改善传统技术弱点已经成为行业发展的必然趋势。目前，将无人机技术应用到消防救援工作中，对提高救援效率、救援安全性等方面而言具有十分重要的现实意义。然而，现有的消防无人机难以克服因喷水作业时的后坐力产生的摇晃或倾斜，稳定性较差。
44.除此之外，现有的消防无人机还存在以下诸多问题。
45.一些消防无人机仅用来侦测火情，消防无人机携带一些如红外、超声波等探测仪器。在抵达火场时，消防无人机升空对现场火情进行探测并传回地面帮助消防作业人员更好的掌握火情。这种消防无人机对消防作业帮助较小，仅起到辅助信息收集的作用。
46.一些消防无人机仅携带小型灭火设备，消防无人机携带如灭火罐、灭火弹等小型消防作业装置。在抵达火场时，消防无人机升空对着火点进行定点作业。这种消防无人机虽然可以进行消防作业，但是其作业范围太小，对消灭火情帮助有限，且消防无人机续航时间短，作业时间短，依然难以克服高层消防的难题。
47.一些消防无人机为系留无人机，通过系留电缆70实现地面供电，同时无人机携带如灭火罐，灭火弹等作业设备进行高空灭火。在抵达火场时，消防无人机升空对着火点进行较长时间较大范围的灭火作业。这种消防无人机虽然续航时间长，但是由于其携带灭火设备限制依然无法进行不间断作业，需要定时落下以补充灭火耗材。
48.一些消防无人机为携带水管的系留无人机，通过输水管实现供水，系留电缆70实现供电，在消防无人机处将水喷出。在抵达火场时，消防无人机升空对着火点进行不间断时间大范围的灭火作业。这种消防无人机虽然能够实现不间断灭火作业，但是受制于消防无人机载重无法满足长距离下的水管与水的自重，所以实际作业高度有限，仅用来替代传统消防车，仍然无法满足长时间大范围高层灭火需求。
49.鉴于现有消防无人机存在以上诸多问题，本技术的发明人设计了一种消防无人机100，能够至少解决以上问题之一。
50.参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的消防无人机100的结构示意图，本发明一实施例提供了的消防无人机100主要用于高空灭火，该消防无人机100包括无人机本体10、消防组件20和多个伸缩件30、主控制器(图未示)及检测件(图未示)。消防组件20和多个伸缩件30均设置于无人机本体10的下方，每一伸缩件30的相对两端分别铰接于无人机本体10及消防组件20。主控制器设于无人机本体10上。检测件设于消防组件20上且电连接于主控制器，检测件用于检测消防组件20的位置信息。其中，主控制器与伸缩件30电连接，主控制器用于实时根据消防组件20的位置信息控制伸缩件30的长度，以调整消防组件20的位姿而使消防组件20处于水平状态。
51.图2为本发明的一实施例中的消防无人机100在前后水平时的示意图，图3为本发明的一实施例中的消防无人机100在前后倾斜时的示意图，图4为本发明的一实施例中的消防无人机100在左右水平时的示意图，图5为本发明的一实施例中的消防无人机100在左右倾斜时的示意图。请一并结合图1-图5，在一个实施例中，如图1所示，为了便于说明，暂且定义第一方向f1为左右方向，第二方向f2为前后方向，第三方向f3为上下方向。上述消防无人机100，在消防作业时，消防组件20向前喷水，消防无人机100由于后坐力向后倾斜。为了保持消防组件20的水平稳定，在无人机本体10与位于无人机本体10下方的消防组件20之间设置多个伸缩件30，且伸缩件30的相对两端分别铰接于无人机本体10和消防组件20。无人机本体10上的主控制器实时接收消防组件20上的检测件的检测信号，判断消防组件20是否处于水平稳定状态，如果不稳定，则计算出使消防组件20稳定所需的数学模型，并调节伸缩件30的长度，使得无人机本体10向前产生倾斜以产生水平向前的分力来抵御消防组件20因向前喷水而产生的后坐力，来调整消防组件20的位姿而使消防组件20始终处于水平状态，避免由于消防组件20倾斜而导致的消防作业受到影响。检测件包括陀螺仪、加速度传感器等，在此，不做具体的限制。
52.需要说明的是，无人机本体10能够为整个消防无人机100提供飞行动力，消防组件20为消防水到达指定灭火点提供抬升动力，如图1所示，在实际应用中，消防组件20包括水
泵21、水泵电机22、喷水龙头23及消防软管24。水泵21和水泵电机22相连接，水泵21上设置有水泵出口和水泵入口，消防软管24与水泵入口连通，喷水龙头23与水泵出口连通。如此，消防水通过水泵21的抽吸，经消防软管24、水泵入口、水泵21、水泵出口喷出，以用于指定灭火点的灭火作业。
53.进一步地，本技术的消防无人机100可以实现多个消防无人机100的联合灭火作业，以解决高层灭火的作业高度限制问题。具体地，多个消防无人机100之间通过消防软管24相连，上一级消防无人机100的水泵出口通过消防软管24与下一级消防无人机100的水泵入口相连，以实现消防水的连续抬升。在一个实施例中，水泵21采用高压水泵21，高压水泵21用于空中连续加压，下一级高压水泵21由上一级高压水泵21与消防软管24供水，最终通过喷水龙头23将加压后的消防水喷射出用于指定灭火点的灭火作业。如此，本技术的消防无人机100可以实现多个消防无人机100的叠加，不再受到高层灭火作业的高度限制，同时消防作业人员无需再近距离靠近火场，避免消防作业人员伤亡，提高消防救援的安全性。
54.在一些实施例中，如图1所示，无人机本体10包括机身11、连接于机身11的旋翼臂组件12，以及设置于旋翼臂组件12且与伸缩件30一一对应的多个第一旋翼组件13。每一伸缩件30的相对两端分别铰接于对应的第一旋翼组件13及消防组件20。
55.在一个实施例中，如图1所示，机身11包括机身本体111以及设置于机身本体111外侧的四个支腿112，四个支腿112分别连接于旋翼臂组件12。伸缩件30包括气缸、油缸、电动推杆、伸缩桁架等，在本实施例中，伸缩件30为电动推杆。电动推杆的精度高，负载大，可以实现同步自动控制，无需气源和油路，重量较轻。电动推杆的两端分别通过万向节与无人机本体10及消防组件20相连。电动推杆的长度可由主控制器电控调节。
56.在一些实施例中，如图1所示，旋翼臂组件12包括位于机身11沿第一方向f1的相对两侧且沿第二方向f2延伸的两个第一臂121，以及沿第一方向f1延伸的两个第二臂122。其中一第二臂122的纵长两端分别连接于两个第一臂121沿第二方向f2的一侧，另一第二臂122的纵长两端分别连接于两个第一臂121沿第二方向f2的另一侧；消防组件20沿第二方向f2延伸，且位于机身11的下方。第一方向f1和第二方向f2相交。
57.具体到如图1所示的实施例中，第一方向f1和第二方向f2相互垂直，机身本体111位于无人机本体10的中部，旋翼臂组件12围绕机身11的外侧设置，旋翼臂组件12包括两个第一臂121和两个第二臂122，两个第一臂121和两个第二臂122组成方形框架，在实际应用中，第一臂121的长度大于第二臂122的长度，两个第一臂121和两个第二臂122组成矩形框架，多个支腿112自机身本体111延伸出去并连接于第一臂121和/或第二臂122上，在本实施例中，支腿112的数量为四个，四个支腿112两两一组分别连接于对应的第一臂121上。消防组件20沿第二方向f2延伸且位于机身11的下方，其中，水泵21和水泵电机22同轴且沿第二方向f2延伸。相较于现有的消防无人机100的无人机本体10呈圆形的布局方式，本技术的无人机本体10呈方形的布局的方式，如此，本技术的无人机本体10的布局和消防组件20的布局更加适配，且本技术的无人机本体10占用空间更小，便于在老旧小区内灵活穿巷或实施消防作业。
58.在一些实施例中，结合图6所示，图6为本发明的一实施例中的消防无人机100另一视角的结构示意图。第一旋翼组件13和伸缩件30均设置有四个，第一臂121和第二臂122的连接处设有一第一旋翼组件13。
59.可以理解的是，第一旋翼组件13提供消防无人机100升降和水平移动的动力。在一个实施例中，第一旋翼组件13包括尺寸相对小的四个小旋翼，在本实施例中，小旋翼的直径为5英寸，四个小旋翼位于第一臂121和第二臂122的连接处，具体地，四个小旋翼通过安装座分别固定连接于第一臂121及第二臂122上。
60.在一些实施例中，如图1所示，第一旋翼组件13包括设于第一臂121和第二臂122的连接处的连接座131以及位于连接座131的外侧的至少一第一电动桨叶132。每一伸缩件30远离消防组件20的一端铰接于对应的第一旋翼组件13的连接座131的底部。
61.需要说明的是，第一臂121和第二臂122固定连接于连接座131，且第一臂121和第二臂122的端部呈十字交叉，连接座131位于第一臂121和第二臂122的交叉处。四个小旋翼围绕连接座131设置并通过安装座分别固定连接于第一臂121及第二臂122上，其中，小旋翼包括第一电动桨叶132和电机，电机用来驱动第一电动桨叶132转动。每一伸缩件30远离消防组件20的一端铰接于对应的第一旋翼组件13的连接座131的底部，且每一伸缩件30靠近消防组件20的一端通过万向节铰接于水泵21或者水泵电机22上。在实际应用中，如图1所示，从消防无人机100的侧面看去，第一臂121、第二臂122、四个伸缩杆、八个万向节、水泵21及水泵电机22共同组成了倒梯形的结构，如此，能够保证消防无人机100的布局更加合理，重心分布合理，稳定性和可靠性更好。
62.在一些实施例中，如图1所示，连接座131上设置有次控制器50，次控制器50与第一旋翼组件13一一对应，且分别与主控制器和对应的第一旋翼组件13电连接。
63.在一些实施例中，如图1所示，连接座131上还设置有速度调节件60，速度调节件60用于调节第一电动桨叶132的转速，且与相邻的次控制器50电连接。
64.在一个实施例中，速度调节件60包括小旋翼电调，连接座131内设置有小旋翼电调与次控制器50等，用以完成对每一组小旋翼的控制及调节。主控制器内设有主板电路、超级电容、大旋翼电调、散热系统、飞行控制系统等完成无人机本体10的移动。可以理解的是，次控制器50受主控制器的控制，主控制器受地面消防人员的控制。
65.在一些实施例中，如图1和图4所示，旋翼臂组件12还包括两个第三臂123，每一第一臂121上连接有一第三臂123，第三臂123远离对应的第一臂121的一端设有第二旋翼组件14。
66.在一些实施例中，如图1和图4所示，定义平行于第一方向f1且平行第二方向f2的平面为第一平面m1。第三臂123与第一平面m1呈预设夹角。
67.在一个实施例中，第三臂123通过连接座131垂直连接于第一臂121，且第三臂123的连接座131位于两个支腿112之间，并向下偏转一个预设角度。如此，第二旋翼组件14与第一旋翼有一定的高度差，能够保证无人机本体10承重更大的同时减小其占用空间，便于在老旧小区内灵活穿巷或实施消防作业。
68.在一些实施例中，如图1所示，每一第二旋翼组件14包括设于对应的第三臂123的驱动件141，以及沿第三方向f3间隔设置的两个第二电动桨叶142。两个第二电动桨叶142同轴设于驱动件141的输出端，以在驱动件141的驱动下转动。
69.在一个实施例中，第二旋翼组件14包括两个同轴设置的大旋翼，大旋翼包括第二电动桨叶142和电机，电机用来驱动第二电动桨叶142转动，大旋翼的直径为10英寸。本技术的消防无人机100采用了大旋翼和小旋翼的组合，且大旋翼和小旋翼存在高度差的方式，通
过合理的空间布局使得无人机本体10的载重更大，能够承受位于无人机本体10下方的质量更大的水泵21、水泵电机22及更长的消防软管24及消防水。
70.在一些实施例中，如图1所示，水泵电机22上设置有变压器，变压器可以实现自动调节，以适应水泵电机22与主控制器所需电压不同的需求。
71.在一些实施例中，如图1所示，消防无人机100上还设置有系留电缆70，消防无人机100的主控制器和变压器分别与系留电缆70电连接，且下一级消防无人机100的系留电缆70与上一级无人机的主控器电相连。系留电缆70不仅包括电源线，还包括用以传输信号、实施控制功能的其他所需线缆。如此，通过系留电缆70能够实现消防无人机100的连续供电与信息传递。
72.需要说明的是，本技术的多个消防无人机100联合灭火作业时，能够解决高层灭火的作业高度限制问题。地面现有的消防水管或者消防车给垂直高度最低的的第一级消防无人机100的水泵入口提供消防水，地面电源连接第一级消防无人机100的系留电缆70，以提供第一级消防无人机100的水泵电机22的变压器和无人机本体10的电力需求。本技术的消防无人机100使用地面供水供电，可以实现不间断长时间持续作业，不再需要降落进行灭火耗材的补给。
73.在一个实施例中，如图7所示，第一臂121为空心管，第一臂121与支腿112的连接处设置有开口，以满足从主控制器到次控制器50的电缆走线要求。如此，可以使得布线更加美观、整洁。
74.在一些实施例中，如图1所示，机身本体111、支腿112、第一臂121、第二臂122、第三臂123、连接座131、第一旋翼组件13、第二旋翼组件14等结构的材料采用碳纤维，如此，保证无人机本体10在大载重的同时自重较轻，便于负载更大质量的消防组件20，运载更长的消防软管24与系留电缆70。
75.在一些实施例中，如图1所示，无人机本体10上还设置有图像组件40，图像组件40包括激光探测器、超声波探测器、高清摄像头、红外探测器等。在一个实施例中，激光探测器、超声波探测器、高清摄像头、红外探测器等器件均设置于机身本体111上。图8为本发明的一实施例中的消防无人机100的信号处理流程图。结合图8，位于机身本体111内的主控制器对激光探测器、超声波探测器、高清摄像头、红外探测器实时记录的火场数据信号进行接收与处理，并通过系留电缆70传回地面消防作业人员。地面消防作业人员掌握火情后，根据现场情况灵活选择更适合的作业方式，下达作业指令。提高了消防救援的响应度，及时可靠进行消防灭火或者救援作业，实现更精准、更高效、更灵活的高层消防作业。消防无人机100实时不间断持续消防作业，在接收到地面的结束作业指令后，消防无人机100停止喷水，无人机本体10调整到水平状态并携带消防组件20下降至地面。
76.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
77.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。