CN107251128A - 消防员训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于模拟灭火***的消防员训练装置，该装置包括：卷轮；使用者可操控的喷嘴；软管，该软管具有分别与卷轮和喷嘴相连的两端，并部分地缠绕在卷轮的周围，其中卷轮沿第一旋转方向的旋转使得软管能从卷轮上松开；电机，该电机构造成能沿第二旋转方向驱动卷轮，这使得软管能缠绕到卷轮上；用于提供与灭火***的一个或多个模拟的运行状态相对应的一个或多个输出信号的一个或多个器件；以及控制器，该控制器构造成能响应于一个或多个输出信号来驱动电机，以向卷轮施加沿第二旋转方向的转矩，由此来模拟在灭火***运行期间施加到软管上的力。

Description

消防员训练装置
技术领域
本发明大体上涉及用于训练消防员的设备，更特别地涉及模拟消防员在危险环境中所经历的真实世界情况的消防员训练设备。
背景技术
消防员训练通常是昂贵且有潜在危险的任务。通常，由于指导者不能通过安全的方式再现火势，所以在训练环境中所体验的现实性显著地受限。
昂贵的热消防训练道具通常受到很高程度的需求，并被限制到重现它们所被针对开发的一个场景。因此，消防员训练的可被提供给消防员训练生的不同场景的多样性受到限制，从而训练的价值会随着训练生开始习惯于已经形成的场景而减弱。这种道具还需要使用训练车辆(也被称为“消防车”)来向训练区域供应水，因而总的来说，需要显著的人力来为位于消防设备的前线喷嘴处的消防员提供训练条件。
用于前线消防员的呼吸设备在内部的、结构性的消防中的使用(与拖曳软管线、携带破拆进入装置和其他消防工具相结合)因烟雾、火势和潜在的完整结构坍塌的加入而明显变得更加复杂。强体力活动和在一段时间的活动之后的消防活动所导致的精疲力竭感通常难以在训练环境中被感受到。
当前需要开发这样的消防员训练设备，即：相对低成本，易于使用，且适应于许多训练环境，但能提供高水平的现实性，以便优化模拟体验。还希望提出能改善或克服已知的消防员训练设备的一种或多种缺陷或不便的训练设备。
发明内容
本发明的一个方面提出了一种用于模拟灭火***的消防训练装置，该灭火***包括软管和与该软管的一端相连的液体喷射出口，以用于排放灭火液体，该消防训练装置包括：
卷轮；
使用者可操控的喷嘴；
柔性且狭长的元件，该元件具有分别与卷轮和喷嘴相连的两端，并至少部分地缠绕在卷轮的周围，其中卷轮沿第一旋转方向的旋转能使得该狭长元件从卷轮上松开；
电机，该电机构造成能沿第二旋转方向(与第一旋转方向相反)驱动卷轮，以使狭长元件能缠绕到卷轮上；
用于提供与灭火***的一个或多个模拟的运行状态相对应的一个或多个输出信号的一个或多个器件；以及
控制器，该控制器构造成能响应于一个或多个输出信号来驱动电机，以便向卷轮施加沿第二旋转方向的转矩，由此来模拟在灭火***运行期间施加到软管上的力。
在一个或多个实施方案中，第一运行状态为通过喷嘴的液体流速，且第一器件为用于选择液体流速的液体流速选择器。
在一个或多个实施方案中，第二运行状态为液体喷射形式，且第二器件为用于选择液体喷射形式的液体喷射形式选择器。
在一个或多个实施方案中，第三运行状态为喷嘴开启以放出灭火液体，且第三器件为喷嘴开启检测器。
有利的是，上述器件中的任意一个或多个均可装配到使用者可操控的喷嘴上。
在一个或多个实施方案中，第四运行状态为卷轮的旋转松开，且第四器件为用于检测卷轮的旋转松开速度的旋转速度检测器。有利的是，该检测器可以是接合到卷轮上的编码器。
在一个或多个实施方案中，通过控制产生的要被施加到电机上的转矩取决于可被控制器访问的结构数据。这种结构数据可包括以下内容中的任意一个或多个：
流体压力、狭长元件的结构、狭长元件的长度、地面和最大力。
在一个或多个实施方案中，第五器件安装在喷嘴上，以用于在消防员训练装置的使用过程中捕获图像数据。
在一个或多个实施方案中，狭长元件为柔性的、中空的管，且可由通常用于构造消防软管的帆布、塑料、橡胶或其他材料制成。
在一个或多个实施方案中，消防员训练装置还包括在管内于一个或多个器件与控制器之间延伸的电缆，以用于在一个或多个器件与控制器之间传输数据。
在一个或多个实施方案中，消防训练装置还可包括流体供应器，和与该流体供应器接合的至少一个膨胀器件，以用于使管的至少一部分膨胀，由此来模拟灭火***的软管的增压。有利的是，流体供应器可以是压缩空气的容器。在这种情况下，膨胀器件例如可以是在管的至少一部分内延伸的空气管路。
在一个或多个实施方案中，消防员训练装置包括一个或多个夹具，以用于将该装置夹持到支撑表面(例如，地面)上。
在一个或多个实施方案中，控制器可包括处理器和存储有程序指令的非暂时性计算机可读介质，以使控制器能计算要施加到电机上的转矩，并施加该计算得到的转矩。
本发明的另一方面提出了一种操作根据上述权利要求中任意一项或多项所述的消防员训练装置的方法，该方法包括以下步骤：
从一个或多个器件处接收一个或多个输出信号，该输出信号与模拟的灭火***的一个或多个模拟运行状态相对应；以及
响应于该一个或多个输出信号来驱动电机，以向卷轮施加沿第二旋转方向的转矩，由此来模拟在灭火***运行期间施加到软管上的力。
消防训练装置可包括基站，卷轮、电机和控制器位于该基站处，且狭长元件和喷嘴可从该基站处由卷轮上松开。基站还可包括流体供应器和膨胀器件(如果有的话)。
电机可以是电动机，即AC或DC电动机，或者可以是汽油机或柴油机。
附图说明
下面将仅参照以下附图、通过非限制性实施例对本发明的优选的实施方案进行描述，其中：
图1显示了根据本发明的一个实施方案的消防员训练装置的前视立体图；
图2显示了图1中的消防员训练装置的侧视立体图；
图3显示了图1和图2中的消防员训练装置的示意图，并显示了形成该消防员训练装置的一部分的狭长元件和使用者可操控的喷嘴的细节；
图4显示了用于控制与形成图1至图3中的消防员训练装置的一部分的软管卷轮和空气压缩机相连的伺服电机的运行的传感器和伺服控制电路的示意图；
图5显示了由形成图4中的伺服控制电路的一部分的控制器所执行的多个数据处理步骤的流程图；和
图6显示了图1和图2中所示的消防员训练装置在消防模拟活动中由使用者使用时的立体图。
具体实施方式
下面参照图1和图2，其中显示了用于在模拟的危险环境中训练消防员的消防员训练装置10。消防员训练装置10包括壳体12，在壳体12内安装有卷轮14。柔性的软管16或其他柔性的中空管或其他柔性的狭长元件缠绕在该卷轮14周围。在图1和图2所示的实施方案中，软管由与消防员在灭火时通常使用的软管的材料相同的材料制成。然而，在该实施方案中，并不需要将水或其他灭火流体压入到软管中或从软管中排出，并因此在本发明的其他实施方案中，可使用不同的中空的或实心的狭长元件。
消防员训练装置10还包括：电机18，该电机18构造成能沿一个旋转方向驱动卷轮14；以及伺服控制电路20，该伺服控制电路20构造成能驱动电机18。消防员训练装置10还包括与狭长元件16的一端相连或固定的使用者可操控的喷嘴22。
根据消防员训练装置10所用于的环境，有利的是，通过磁性夹具23或类似的固定器件将消防员训练装置10夹持到其所在的支撑表面上，以避免消防员训练装置10在模拟过程中侧向移动。
消防员训练装置10还包括压缩空气的容器24和压缩机26。从图3中可最佳地看出，在该示例性实施方案中，在喷嘴22和卷轮14之间的软管16内的中空空间内延伸有空气管路28。压力容器24和压缩机26用于向软管16的内部供应压缩空气，以在消防模拟过程中使软管膨胀。关于这一点，空气管路28可包括沿其长度设置的一系列的孔(未显示)，以便能将压缩空气从空气管路中排出到软管16内。
消防员训练装置10还包括用于提供与模拟灭火***的一个或多个模拟运行状态相对应的一个或多个输出信号的一个或多个器件。
这些器件中的一个或多个可以是使用者可操作的选择器，以用于选择液体流速，要被从模拟灭火***中排出的水或其他流体的所期望的喷射形式。另外，这些器件中的一个或多个可检测另一使用者行为，例如使用者开启喷嘴22上的闸门阀以排出液体。在真实世界的灭火***中，使用者开启闸门阀(参见图3中的闸门阀34)以使其从关闭位置到打开位置的动作会导致水从灭火***的软管中排出。
有利的是，在图1至图3所示的示例性实施方案中，这些器件被安装在喷嘴22上。流速选择器30和喷射形式选择器32都可由安装在喷嘴22的筒周围的环形成，其中在该环上附接有编码器或工业模拟电位计，以检测操作者将各个环设置到的角度位置。闸门阀位置检测器40(参见图4)可以是容纳于喷嘴22内的简单开关，其能在闸门阀34或类似的机构沿箭头36的方向从关闭位置移动到打开位置时操作。在软管16内于喷射形式选择器32、流速选择器30和闸门阀位置检测器40与控制器20之间延伸有电缆38，以用于进行数据传输。
如图4所示，喷射形式选择器30和流速选择器32将分别与由操作者选择的喷射形式和由操作者选择的流速相对应的输出信号提供给控制器39。由闸门阀位置检测器40检测的闸门阀位置作为另一输出信号被提供给控制器39。死人掣或其他开启检测器42也可被包含在喷嘴22中，以向控制器38提供其他的输出信号(在该情况下，表示使用者抓住喷嘴)。
从图4中还可看出，电机20与卷轮14的轮毂42相连，软管16缠绕在该轮毂42周围。电机20的运行由伺服放大器44的电流所控制，该伺服放大器44由控制器39所控制。编码器46与电机20相接合，以向控制器39提供指示卷轮的旋转速度的位置反馈信号。关于这一点，计数器48被设置为控制器39的一部分，从编码器46处接收脉冲的频率指示出卷轮14的旋转速度。
在一个或多个实施方案中，动载荷47可与电机20相接合，以限制狭长元件16跑到卷轮14之外。如果使用者将狭长元件16拉动得过快(这可能会产生类似发电机的作用，将破坏电圧引入到***中)，动载荷47有助于以硬件级水平传递加速力或促进力，并降低电子设备损坏的可能性。动载荷47可包括与穿过电机20的分流器相连的电阻。
类似地，空气压缩机26与软管16的一端相接合，以将空气压入到空气管路28内，并由此使软管16膨胀。空气压缩机26由来自于伺服放大器50的电流来控制，该伺服放大器50又由控制器39来控制。
输入/输出电路52设置为控制器39的一部分，以便接收来自于闸门阀位置检测器40、流速选择器32、喷射形式选择器30和操作开启检测器42的输出信号。另外，数字通信链路54设置为控制器39的一部分，以便向伺服放大器44和50发送控制信号。
控制器39包括处理器56、只读存储器或其他非暂时性计算机可读介质58，它们存储有程序指令，以使处理器能执行这里描述的许多运算，并生成要通过数字通信链路54输送给伺服放大器44和50的控制信号。处理器56在执行其各种操作时会使用存储在易失性存储器60内的数据，该数据包括结构数据62和一个或多个查找表64。
应当理解的是，闸门阀位置检测器40、流速选择器32、喷射形式选择器30、操作开启检测器42和编码器46仅仅是可形成消防员训练装置10的一部分以提供与真实世界的灭火***的一个或多个模拟操作环境相对应的一个或多个输出信号的器件的示例。
这种器件的另一示例为相机66(从图6中可最佳地看到)，该相机66可方便地安装到喷嘴22上，该相机66向控制器39提供与在消防训练装置周围的环境中捕获的图像相对应的输出信号。可将这种捕获的图像数据和来自于形成了消防员训练装置10的一部分的各种器件的其他数据(例如，所选择的喷射形式)一起提供给虚拟现实***，以用于与提供给进行训练的消防员的显示相结合，以便于提供更加有沉浸感的训练体验。同检测器32、30、40和42的情况相同，安装在喷嘴上的相机66与控制器39之间的连接可通过在喷嘴22和控制器38之间的软管16内延伸的电缆38来实现。
其他的示例性器件包括惯性测量单元67和红外跟踪单元69。惯性测量单元67包括在模拟过程中使用加速计和陀螺仪(还有可能和磁力计)的结合来跟踪使用者可操控的喷嘴22的姿态和朝向，从而可通过虚拟现实***来精确地再现来自于使用者可操控的喷嘴22的水的射流。
红外跟踪单元69包括能接收红外线并具有传输能力的头部。这种单元允许教练员例如在训练环境中的墙壁或其他表面上用简单的活动标记来区分不同类型的火焰。
在某些实施方案中，作为电缆38的替代，可设置无线传输/接收器件71和73来实现控制器39与安装在喷嘴上的各个器件之间的通信。
在使用中，当使用者抓住喷嘴22并使其移动而远离消防员训练装置10时，由软管16施加到卷轮14上的力会导致卷轮14沿着一个旋转方向旋转，由此使软管从卷轮上松开。响应于在控制器39处接收到的各个输出信号，同时将结构数据(限定要被模拟的灭火***的运行参数和可能需要的其他各个参数)纳入考虑，控制器可驱动伺服电机20，以向卷轮14施加沿相反的旋转方向的转矩，由此来模拟在真实世界的灭火***的操作过程中施加到软管16上的一个或多个力的总和。
图5显示了由控制器39在运算和施加针对卷轮14的适当扭矩以模拟那些被施加给真实世界的灭火***的软管的各个力的总和时所执行的各个步骤的流程图。在于步骤80中启用消防员训练装置10和控制器38之后，在步骤82中，控制器39开始访问结构数据62。结构数据62可包括流体压力、软管结构、软管直径、软管长度、地面特性(以便确定可由消防员感受到的摩擦力)和作为安全参数的可由伺服电机20产生的最大力/转矩中的任意一个或多个。
可通过操作员控制面板(未显示)来建立结构数据62。所有的选择都可由一个或多个不同组的结构数据来实现，以便模拟不同类型的灭火***。
在步骤84中，控制器39借由通过死人掣42提供的输出信号而检测操作开启来解译消防员的存在。当检测到操作开启时，在步骤86中，控制器39使得空气压缩机36借由空气管路28来使软管16膨胀。
在确定要被施加到卷轮14上的转矩的值之前，控制器39首先检测形成装配在喷嘴22周围的喷射形式选择器30的一部分的编码器或工业模拟电位计的位置，以及同样装配在喷嘴22周围的流速选择器32的编码器或工业模拟电位计的位置(步骤88)。一旦在步骤88中进行了这两个选择，那么控制器39就访问存储在查找表64中的信息，并在步骤90中计算将会施加到真实的灭火***的喷嘴上的射流反作用力(也被称为喷嘴反作用力)。
另外，在步骤92中，控制器39确定持有喷嘴22的消防员是否移动远离卷轮14。如果是，那么控制器38就在步骤94中访问查找表64，以确定将整个软管拖曳到由结构数据所确定的类型的地面上所需的拖曳(作用)力。一旦计算出了射流反作用力90和拖曳/摩擦力94，就通过控制器39将这两个力加在一起，并且向伺服放大器44发送信号，以使得在步骤96中，伺服电机20向卷轮14施加沿与由消防员移动远离卷轮14所导致的旋转方向相反的旋转方向的转矩。
当消防员停下，且控制器39从编码器46所提供的脉冲中检测到卷轮的旋转速度已经降至零的时候，控制器38会将从由电机20所施加的力中移除在步骤94中计算出的拖曳/摩擦力。
应当理解的是，所选择的流速和喷涂形式将会对计算得的射流反作用力产生影响。简单地说，带有方向性的流体射流与雾或更加分散的喷射形式相比会产生较大的射流反作用力，而较高的流速与较低的流速相比会产生较大的射流反作用力。较高的泵压力(结构数据的一部分)也会影响射流反作用力，较高的压力会产生较大的力。较大的软管直径也会使流速较高，这也会影响射流反作用力的计算。
在各个实施方案中，可通过USB、以太网、无线或其他适当的连接手段将监控计算机100连接到控制器20上，以使教练员能控制消防员训练装置10的使用者的实时体验。
最后，应当理解的是，在不背离由随附的权利要求书限定的本发明的精神或范围的情况下，可以对上文中描述的实施方案进行各种修改和/或添加。

Claims (18)

1.用于模拟灭火***的消防员训练装置，所述灭火***包括软管和用于排出灭火液体的液体喷射出口，所述消防员训练装置包括：
卷轮；
使用者能操控的喷嘴；
柔性且狭长的元件，其具有分别连接到所述卷轮和所述喷嘴上的两端，且部分地缠绕在所述卷轮的周围，其中所述卷轮沿第一旋转方向的旋转能使狭长元件从所述卷轮上松开；
电机，所述电机构造成能沿与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向驱动所述卷轮，以导致所述狭长元件缠绕到所述卷轮上；
用于提供与所述灭火***的一个或多个模拟的运行状态相对应的一个或多个输出信号的一个或多个器件；以及
控制器，所述控制器构造成能响应于所述一个或多个输出信号来驱动所述电机，以向所述卷轮施加沿第二旋转方向的转矩，由此来模拟在所述灭火***运行期间施加到所述软管上的力。
2.根据权利要求1所述的消防员训练装置，其特征在于，
第一运行状态为通过所述喷嘴的液体流速，且第一器件为用于选择所述液体流速的流速选择器。
3.根据权利要求1或2所述的消防员训练装置，其特征在于，
第二运行状态为液体喷射形式，且第二器件为用于选择液体喷射形式的液体喷射形式选择器。
4.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，
第三运行状态为喷嘴开启以放出灭火液体，且第三器件为喷嘴开启检测器。
5.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，
所述器件中的任意一个或多个装配到所述使用者能操控的喷嘴上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，
第四运行状态为所述卷轮的旋转松开速度，且第四器件为用于检测所述卷轮的旋转松开速度的旋转速度检测器。
7.根据权利要求4所述的消防员训练装置，其特征在于，所述检测器为与所述卷轮接合的编码器。
8.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，通过所述控制器产生的要施加到所述电机上的转矩取决于能被所述控制器访问的结构数据。
9.根据权利要求8所述的消防员训练装置，其特征在于，所述结构数据包括以下中的任意一个或多个：
流体压力、狭长元件的结构、狭长元件的直径、狭长元件的长度、地面和最大力。
10.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，还包括
第五器件，所述第五器件安装在所述喷嘴上，以用于在所述消防员训练装置的使用过程中捕获图像数据。
11.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，所述狭长元件为柔性中空管。
12.根据权利要求11所述的消防员训练装置，还包括
电缆，所述电缆在所述管内于所述一个或多个器件与所述控制器之间延伸，以用于在所述一个或多个器件与所述控制器之间传输数据。
13.根据权利要求10所述的消防员训练装置，还包括
流体供应器；以及
至少一个膨胀器件，所述至少一个膨胀器件与所述流体供应器相接合，以用于使管的至少一部分膨胀，由此来模拟所述灭火***的所述软管的增压。
14.根据权利要求13所述的消防员训练装置，其特征在于，所述流体供应器为压缩空气的容器。
15.根据权利要求14所述的消防员训练装置，其特征在于，所述膨胀器件为在所述管的至少一部分内延伸的空气管路。
16.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，还包括
一个或多个夹具，以用于将所述消防员训练装置夹持到支撑表面上。
17.根据上述权利要求中任一项所述的消防员训练装置，其特征在于，所述控制器包括：
处理器；以及
非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质存储有程序指令，以使所述控制器能计算要施加到所述电机上的转矩，并能施加计算得到的转矩。
18.一种操作根据上述权利要求中任一项或多项所述的消防员训练装置的方法，所述方法包括以下步骤：
从所述一个或多个器件处接收一个或多个输出信号，所述输出信号与所模拟的灭火***的一个或多个模拟运行状态相对应；以及
响应于所述一个或多个输出信号来驱动所述电机，以向所述卷轮施加沿第二旋转方向的转矩，由此来模拟在所述灭火***的运行过程中施加到所述软管上的力。
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