CN107899166A - 基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法 - Google Patents

基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法，所述***包括智能消防机器人、无人机起落平台、消防水炮、航姿传感器、GPS、旋翼无人机、红外热像仪、双波段可见光摄像机、激光测距传感器、机载云台、远程监控终端。所述灭火方法包括旋翼无人机利用GPS、激光测距传感器、航姿传感器、机载云台和图像处理技术对火点和射流落点依次进行精确定位，智能消防机器人根据定位信息不断调整消防水炮的航向角和俯仰角，从而使射流落点精确覆盖火点区域，形成闭环精确灭火。本发明可以弥补大射程室外大空间智能消防机器人视野空间不足，火点定位不精确，灭火精度和智能化程度不高的问题，实现闭环精确灭火。

Description

基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法
技术领域
本发明涉及消防设备技术领域，尤其涉及基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法。
背景技术
随着智能消防机器人技术的不断发展，智能消防机器人被越来越多的用于各种事故救援现场，智能消防机器人的射程也越来越远，现有的智能消防机器人主要依靠图像处理技术实现火源的定位，有的通过射流轨迹数据库查表来调整消防水炮到相应的角度来灭火，有的通过射流轨迹模型方程调整消防水炮到相应的角度来灭火。这些数据库和模型大多是在一定实验环境下得到的，并非在其余的环境下都保持准确性，存在一定的偏差。另外由于火源定位的误差，风和其余环境因素影响等，往往使射流落点无法精确打中火源。
基于机器视觉技术的火点与射流落点相对位置调整的消防水炮角度控制方法是一种可以实现精确灭火的方法，但其主要用于悬挂式消防水炮，其视觉摄像机和消防水炮需要安装在建筑物的高处，使着火区域完全置于消防水炮和摄像机的视野之下。现有的智能消防机器人的视觉***和消防水炮基本都安装在其本体上，难以获得足够的视野，难以实现火源和射流落点的精确定位，难以实现自动精确灭火。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***及方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***，包括智能消防机器人、旋翼无人机和远程监控终端；
所述智能消防机器人包含机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、地面控制模块、第一航姿传感器和无人机起落平台；
所述机器人本体用于根据地面控制模块的指令运动到指定地点；
所述消防水炮设置在所述机器人本体上，用于根据地面控制模块的指令调整其航向角和俯仰角、以及喷射或停止喷射；
所述第一航姿传感器设置在所述消防水炮上，用于感应消防水炮航向角和俯仰角，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一GPS模块用于感应所述机器人本体的GPS坐标，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一无线通讯模块用于和所述旋翼无人机、远程监控终端进行通讯；
所述无人机起落平台包含直流电磁吸盘和电磁吸盘保护壳，所述电磁吸盘保护壳将直流电磁吸盘包含在其中；所述直流电磁吸盘用于在通电时产生吸力使得所述旋翼无人机安稳的停靠在电磁吸盘保护壳上、在断电时松开所述旋翼无人机；
所述地面控制模块分别和所述机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、第一航姿传感器、直流电磁吸盘电气相连；
所述旋翼无人机包含无人机本体、机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块、机载控制模块和旋翼无人机支撑架；
所述无人机本体用于根据机载控制模块进行飞行和降落；
所述第二GPS模块用于感应所述无人机本体的GPS坐标，并将其传递给所述机载控制模块；
所述机载云台设置在所述无人机上，用于搭载所述第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器，并根据机载控制模块的指令进行水平和垂直转动；
所述第二航姿传感器用于感应所述机载云台航向角和俯仰角，并将其传递给所述机载控制模块；
所述双波段可见光摄像机用于拍摄实时画面，并将其传递给所述机载控制模块；
所述红外热像仪用于火点、射流轨迹及落点的识别，并将识别信息传递给所述机载控制模块；
所述激光测距传感器用于感应火点和射流落点的距离，并将其传递给所述机载控制模块；
所述第二通讯模块用于和所述第一无线通讯模块、远程监控终端进行通讯；
所述旋翼无人机支撑架设置在所述无人机本体上，其外设有磁性物质层，用于无人机本体停靠在所述无人机起落平台；
所述机载控制模块分别和所述机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块电气相连；
所述远程监控终端用于远程控制所述远程监控终端和智能消防机器人。
本发明还公开了一种该基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***的灭火方法，包含如下步骤：
步骤2.1)，到达事故现场后，首先由操作人员控制通过远程监控终端控制旋翼无人机从智能消防机器人的起落平台起飞，进行火点的搜寻，搜寻到火点后，操作人员根据第二无线通讯模块回传的热像仪、双波段可见光摄像机图像以及激光测距传感器的测距信息，将旋翼无人机悬停于火点上方；
步骤2.2)，根据接收到的第二GPS模块感应到的GPS坐标信息，操作人员通过远程监控终端无线控制智能消防机器人运动到距离火点预设的距离阈值处；
地面控制模块记录下此时第一GPS模块感应到的GPS坐标和消防水炮的航向角θ1，将此时第一GPS模块感应到的GPS坐标作为M坐标系的原点O(0,0)，并以正东为M坐标系X轴的正方向，正北为M坐标系Y轴的正方向；
步骤2.3)，地面控制模块发送火点跟踪指令给所述机载控制模块，机载控制模块接收到火点跟踪指令后，控制机载云台使火点中心处于热像仪图像中心，并将第二GPS模块感应到的GPS坐标、机载云台的航向角α1、机载云台的俯仰角β1、激光测距传感器测得的距离L1通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.4)，地面控制模块将接收到的无人机第二GPS模块感应到的GPS坐标转化为M坐标系下的坐标，记为A(X0，Y0)，再根据事故地区地球真北与磁北的偏角ψ，求得火点中心在M坐标系下的坐标为B(X1，Y1),计算公式如下：
根据以下公式求得火点中心到智能消防机器人的直线距离S1：
根据以下公式计算出火点的航向角，即OB直线的航向角为σ1：
步骤2.5)，地面控制模块控制消防水炮水平转动，直至其航向角为σ1，使消防水炮在水平方向对准着火点，然后根据距离S1调整消防水炮的俯仰角和喷射流量后，控制消防水炮进行喷射，并发送射流落点跟踪指令给所述机载控制模块；
步骤2.6)，机载控制模块接收到射流落点跟踪指令后，控制机载云台使射流落点处于热像仪图像中心，并将此时机载云台的航向角α2、机载云台的俯仰角β2、激光测距传感器测得的距离L2通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.7)，地面控制模块按照以下公式计算得到射流落点在M坐标系的坐标为C(X2，Y2)：
然后按照以下公式计算得到射流落点的航向角，即直线OC的航向角为σ2：
步骤2.8)，智能消防机器人的地面控制模块根据落点坐标C(X2，Y2)和σ2，控制消防水炮首先调整水平角度，直至σ2＝σ1，然后控制消防水炮俯仰角使射流落点的坐标和B重合；
步骤2.9)，重复步骤2.3)至步骤2.9)，直至火点被扑灭。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明利用旋翼无人机可以解决现有智能消防机器人视野不足的问题，可实现全方位的火点搜寻与定位，加快抢救速度。
2、本发明利用GPS、航姿传感器、机载云台、激光测距传感器和图像处理技术可实现火点和射流落点的精确定位，可利用建立起的数学模型实现消防水炮的精确控制，实现闭环精确灭火。
附图说明
图1是旋翼无人机和智能消防机器人灭火***图；
图2是智能消防机器人的结构示意图；
图3是智能消防机器人的电气连接示意图；
图4是旋翼无人机的结构示意图；
图5是旋翼无人机的电气连接示意图；
图6是以智能消防机器人为中心所构建的M坐标系；
图7是旋翼无人机和智能消防机器人灭火的流程示意图。
图中，1-远程监控终端，2-智能消防机器人，3-无人机，4-火点，5-地面控制模块，6-消防水炮，7-第一航姿传感器，8-电磁吸盘，9-第一无线通讯模块，10-第一GPS模块，11-电磁吸盘保护壳，12-双波段可见光摄像机，13-激光测距传感器，14-热像仪，15-机载云台，16-第二航姿传感器，17-机载控制模块，18-第二GPS模块，19-第二无线通讯模块，20-无人机支撑架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，本发明公开了一种基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***，包括智能消防机器人、旋翼无人机和远程监控终端；
如图2和图3所示，所述智能消防机器人包含机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、地面控制模块、第一航姿传感器和无人机起落平台；
所述机器人本体用于根据地面控制模块的指令运动到指定地点；
所述消防水炮设置在所述机器人本体上，用于根据地面控制模块的指令调整其航向角和俯仰角、以及喷射或停止喷射；
所述第一航姿传感器设置在所述消防水炮上，用于感应消防水炮航向角和俯仰角，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一GPS模块用于感应所述机器人本体的GPS坐标，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一无线通讯模块用于和所述旋翼无人机、远程监控终端进行通讯；
所述无人机起落平台包含直流电磁吸盘和电磁吸盘保护壳，所述电磁吸盘保护壳将直流电磁吸盘包含在其中；所述直流电磁吸盘用于在通电时产生吸力使得所述旋翼无人机安稳的停靠在电磁吸盘保护壳上、在断电时松开所述旋翼无人机；
所述地面控制模块分别和所述机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、第一航姿传感器、直流电磁吸盘电气相连；
如图4和图5所示，所述旋翼无人机包含无人机本体、机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块、机载控制模块和旋翼无人机支撑架；
所述无人机本体用于根据机载控制模块进行飞行和降落；
所述第二GPS模块用于感应所述无人机本体的GPS坐标，并将其传递给所述机载控制模块；
所述机载云台设置在所述无人机上，用于搭载所述第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器，并根据机载控制模块的指令进行水平和垂直转动；
所述第二航姿传感器用于感应所述机载云台航向角和俯仰角，并将其传递给所述机载控制模块；
所述双波段可见光摄像机用于拍摄实时画面，并将其传递给所述机载控制模块；
所述红外热像仪用于火点、射流轨迹及落点的识别，并将识别信息传递给所述机载控制模块；
所述激光测距传感器用于感应火点和射流落点的距离，并将其传递给所述机载控制模块；
所述第二通讯模块用于和所述第一无线通讯模块、远程监控终端进行通讯；
所述旋翼无人机支撑架设置在所述无人机本体上，其外设有磁性物质层，用于无人机本体停靠在所述无人机起落平台；
所述机载控制模块分别和所述机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块电气相连；
所述远程监控终端用于远程控制所述远程监控终端和智能消防机器人。
如图6和图7所示，本发明还公开了一种该基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***的灭火方法，包含如下步骤：
步骤2.1)，到达事故现场后，首先由操作人员控制通过远程监控终端控制旋翼无人机从智能消防机器人的起落平台起飞，进行火点的搜寻，搜寻到火点后，操作人员根据第二无线通讯模块回传的热像仪、双波段可见光摄像机图像以及激光测距传感器的测距信息，将旋翼无人机悬停于火点上方；
步骤2.2)，根据接收到的第二GPS模块感应到的GPS坐标信息，操作人员通过远程监控终端无线控制智能消防机器人运动到距离火点预设的距离阈值处；
地面控制模块记录下此时第一GPS模块感应到的GPS坐标和消防水炮的航向角θ1，将此时第一GPS模块感应到的GPS坐标作为M坐标系的原点O(0,0)，并以正东为M坐标系X轴的正方向，正北为M坐标系Y轴的正方向；
步骤2.3)，地面控制模块发送火点跟踪指令给所述机载控制模块，机载控制模块接收到火点跟踪指令后，控制机载云台使火点中心处于热像仪图像中心，并将第二GPS模块感应到的GPS坐标、机载云台的航向角α1、机载云台的俯仰角β1、激光测距传感器测得的距离L1通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.4)，地面控制模块将接收到的无人机第二GPS模块感应到的GPS坐标转化为M坐标系下的坐标，记为A(X0，Y0)，再根据事故地区地球真北与磁北的偏角ψ，求得火点中心在M坐标系下的坐标为B(X1，Y1),计算公式如下：
根据以下公式求得火点中心到智能消防机器人的直线距离S1：
根据以下公式计算出火点的航向角，即OB直线的航向角为σ1：
步骤2.5)，地面控制模块控制消防水炮水平转动，直至其航向角为σ1，使消防水炮在水平方向对准着火点，然后根据距离S1调整消防水炮的俯仰角和喷射流量后，控制消防水炮进行喷射，并发送射流落点跟踪指令给所述机载控制模块；
步骤2.6)，机载控制模块接收到射流落点跟踪指令后，控制机载云台使射流落点处于热像仪图像中心，并将此时机载云台的航向角α2、机载云台的俯仰角β2、激光测距传感器测得的距离L2通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.7)，地面控制模块按照以下公式计算得到射流落点在M坐标系的坐标为C(X2，Y2)：
然后按照以下公式计算得到射流落点的航向角，即直线OC的航向角为σ2：
步骤2.8)，智能消防机器人的地面控制模块根据落点坐标C(X2，Y2)和σ2，控制消防水炮首先调整水平角度，直至σ2＝σ1，然后控制消防水炮俯仰角使射流落点的坐标和B重合；
步骤2.9)，重复步骤2.3)至步骤2.9)，直至火点被扑灭。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***，其特征在于，包括智能消防机器人、旋翼无人机和远程监控终端；
所述智能消防机器人包含机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、地面控制模块、第一航姿传感器和无人机起落平台；
所述机器人本体用于根据地面控制模块的指令运动到指定地点；
所述消防水炮设置在所述机器人本体上，用于根据地面控制模块的指令调整其航向角和俯仰角、以及喷射或停止喷射；
所述第一航姿传感器设置在所述消防水炮上，用于感应消防水炮航向角和俯仰角，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一GPS模块用于感应所述机器人本体的GPS坐标，并将其传递给所述地面控制模块；
所述第一无线通讯模块用于和所述旋翼无人机、远程监控终端进行通讯；
所述无人机起落平台包含直流电磁吸盘和电磁吸盘保护壳，所述电磁吸盘保护壳将直流电磁吸盘包含在其中；所述直流电磁吸盘用于在通电时产生吸力使得所述旋翼无人机安稳的停靠在电磁吸盘保护壳上、在断电时松开所述旋翼无人机；
所述地面控制模块分别和所述机器人本体、消防水炮、第一GPS模块、第一无线通讯模块、第一航姿传感器、直流电磁吸盘电气相连；
所述旋翼无人机包含无人机本体、机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块、机载控制模块和旋翼无人机支撑架；
所述无人机本体用于根据机载控制模块进行飞行和降落；
所述第二GPS模块用于感应所述无人机本体的GPS坐标，并将其传递给所述机载控制模块；
所述机载云台设置在所述无人机上，用于搭载所述第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器，并根据机载控制模块的指令进行水平和垂直转动；
所述第二航姿传感器用于感应所述机载云台航向角和俯仰角，并将其传递给所述机载控制模块；
所述双波段可见光摄像机用于拍摄实时画面，并将其传递给所述机载控制模块；
所述红外热像仪用于火点、射流轨迹及落点的识别，并将识别信息传递给所述机载控制模块；
所述激光测距传感器用于感应火点和射流落点的距离，并将其传递给所述机载控制模块；
所述第二通讯模块用于和所述第一无线通讯模块、远程监控终端进行通讯；
所述旋翼无人机支撑架设置在所述无人机本体上，其外设有磁性物质层，用于无人机本体停靠在所述无人机起落平台；
所述机载控制模块分别和所述机载云台、第二GPS模块、第二航姿传感器、双波段可见光摄像机、红外热像仪、激光测距传感器、第二无线通讯模块电气相连；
所述远程监控终端用于远程控制所述远程监控终端和智能消防机器人。
2.根据权利要求1所述的基于无人机和智能消防机器人的精确灭火***的灭火方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤2.1)，到达事故现场后，首先由操作人员控制通过远程监控终端控制旋翼无人机从智能消防机器人的起落平台起飞，进行火点的搜寻，搜寻到火点后，操作人员根据第二无线通讯模块回传的热像仪、双波段可见光摄像机图像以及激光测距传感器的测距信息，将旋翼无人机悬停于火点上方；
步骤2.2)，根据接收到的第二GPS模块感应到的GPS坐标信息，操作人员通过远程监控终端无线控制智能消防机器人运动到距离火点预设的距离阈值处；
地面控制模块记录下此时第一GPS模块感应到的GPS坐标和消防水炮的航向角θ1，将此时第一GPS模块感应到的GPS坐标作为M坐标系的原点O(0,0)，并以正东为M坐标系X轴的正方向，正北为M坐标系Y轴的正方向；
步骤2.3)，地面控制模块发送火点跟踪指令给所述机载控制模块，机载控制模块接收到火点跟踪指令后，控制机载云台使火点中心处于热像仪图像中心，并将第二GPS模块感应到的GPS坐标、机载云台的航向角α1、机载云台的俯仰角β1、激光测距传感器测得的距离L1通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.4)，地面控制模块将接收到的无人机第二GPS模块感应到的GPS坐标转化为M坐标系下的坐标，记为A(X0，Y0)，再根据事故地区地球真北与磁北的偏角ψ，求得火点中心在M坐标系下的坐标为B(X1，Y1),计算公式如下：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>X</mi> <mn>1</mn> <mo>=</mo> <mi>X</mi> <mn>0</mn> <mo>+</mo> <mi>L</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>)</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>Y</mi> <mn>1</mn> <mo>=</mo> <mi>Y</mi> <mn>0</mn> <mo>+</mo> <mi>L</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mo>(</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;psi;</mi> <mo>)</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
根据以下公式求得火点中心到智能消防机器人的直线距离S1：
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根据以下公式计算出火点的航向角，即OB直线的航向角为σ1：
步骤2.5)，地面控制模块控制消防水炮水平转动，直至其航向角为σ1，使消防水炮在水平方向对准着火点，然后根据距离S1调整消防水炮的俯仰角和喷射流量后，控制消防水炮进行喷射，并发送射流落点跟踪指令给所述机载控制模块；
步骤2.6)，机载控制模块接收到射流落点跟踪指令后，控制机载云台使射流落点处于热像仪图像中心，并将此时机载云台的航向角α2、机载云台的俯仰角β2、激光测距传感器测得的距离L2通过第二无线通讯模块发送给地面控制模块；
步骤2.7)，地面控制模块按照以下公式计算得到射流落点在M坐标系的坐标为C(X2，Y2)：
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然后按照以下公式计算得到射流落点的航向角，即直线OC的航向角为σ2：
步骤2.8)，智能消防机器人的地面控制模块根据落点坐标C(X2，Y2)和σ2，控制消防水炮首先调整水平角度，直至σ2＝σ1，然后控制消防水炮俯仰角使射流落点的坐标和B重合；
步骤2.9)，重复步骤2.3)至步骤2.9)，直至火点被扑灭。
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