CN110624189B - 无人机机载灭火弹装置、消防无人机以及发射控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机机载灭火弹装置、消防无人机以及发射控制方法，其包括：N联装发射筒单元，其挂载于无人机机体；三轴伺服稳定单元，其用于隔离机体飞行或悬停时的姿态扰动，保证所述N联装发射筒单元的稳定；火力控制单元，其生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，当着弹点落入发射波门内时，按设定发射顺序产生灭火弹自动发射信号；以及灭火弹发射控制器，其用于根据所述灭火弹自动发射信号产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射。本发明其采用三轴伺服稳定单元隔离扰动，提高了瞄准及射击精度和智能化程度。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体为一种无人机机载灭火弹装置、消防无人机以及发射控制方法。
背景技术
无人机现已广泛应用于消防领域，无人机携带装有灭火剂的灭火弹，通过观瞄装置瞄准火源进行发射，从而完成灭火任务。但现有的无人机机载灭火弹发射装置都是与无人机固定连接，发射装置无法隔离无人机姿态带来的扰动，因此只能在悬停状态下进行灭火弹发射，并且没有火控计算，只能执行较近距离的灭火弹发射，没有灭火弹命中精度的保证，命中率较低，并且也无法对运动目标进行精确瞄准、发射；同时，灭火弹的发射多采用手动控制发射的模式，智能化程度较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种无人机机载灭火弹装置、消防无人机以及发射控制方法，其采用三轴伺服稳定单元隔离无人机飞行过程中的姿态变化带来的扰动，保证灭火弹弹轴在惯性空间的稳定；并利用光电吊舱自动跟踪火点，三轴伺服稳定单元高精度随动于光电吊舱，从而提高了瞄准及射击精度；同时采用火力控制算法及射击波门技术，实现灭火弹的自动发射，提高了无人机在任何飞行状态下发射灭火弹的命中精度以及灭火弹发射的智能化程度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，提供了一种无人机机载灭火弹装置，其包括：N联装发射筒单元，其挂载于无人机机体，且所述N联装发射筒单元内容纳有至少一个灭火弹，N为正整数；三轴伺服稳定单元，其连接所述N联装发射筒单元，用于隔离机体飞行或悬停时的姿态扰动，保证所述N联装发射筒单元在惯性空间的稳定；火力控制单元，其通过接收到的火控信息实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，当着弹点落入发射波门内时，按设定发射顺序产生灭火弹自动发射信号；以及灭火弹发射控制器，其用于接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射。
优选的，所述无人机灭火弹装置还包括：光电吊舱，其连接所述无人机机体，用于获取机体与火灾现场的距离信息、对火场火点进行自动图像跟踪以及无人机机体飞行或悬停时光电吊舱自身的姿态信息，并发送至所述三轴伺服稳定单元；和/或，将所述火控信息发送至所述火力控制单元，使得所述火控信息被所述火力控制单元接收。
优选的，所述三轴伺服稳定单元接收光电吊舱发送的姿态信息后进行三轴运动控制，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的光轴的夹角为0-0.1°。
优选的，所述三轴伺服稳定单元包括：三轴陀螺仪、方位控制电机、俯仰控制电机、横滚控制电机以及伺服控制驱动板；所述三轴陀螺仪用于获取无人机机体的姿态信息；所述伺服控制驱动板接收所述三轴陀螺仪获取的无人机机体的姿态信息以及光电吊舱发送的姿态信息，并在对两者进行比对后对应控制方位控制电机和/或俯仰控制电机和/或横滚控制电机的运转，以实现三轴运动控制，保证连接无人机机体的N联装发射筒单元在惯性空间中的三轴稳定。
优选的，所述三轴伺服稳定单元的三轴运动范围均为±(3-10)°。
另一方面，还提供一种消防无人机，其包括无人机机体以及上述无人机机载灭火弹装置，其连接所述无人机机体上。
优选的，所述消防无人机还包括：飞行控制单元，其用于获取环境信息，并根据所述环境信息控制所述机体在空中的飞行姿态和/或轨迹；地面站以及数据传输单元，所述数据传输单元用于接收所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离和/或飞行姿态和/或飞行轨迹信息，并将所述火灾现场的影像信息和/或音频信息实时传输至消防指挥平台，以及将所述飞行姿态和/或飞行轨迹信息传输至所述地面站。
优选的，所述消防无人机还包括：火情处理单元，其连接所述无人机机载灭火弹装置，用于根据所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离生成火灾处理方案。
优选的，所述消防无人机还包括：以完成机体起降的起降单元和/或用于对机体进行运输的运输单元和/或用于对机体实行保障维护的保障单元。
另一方面，还提供一种上述无人机机载灭火弹装置的发射控制方法，其包括如下步骤：
S1、通过光电吊舱获取机体与火灾现场的距离信息、对火点进行自动图像跟踪以及无人机机体飞行或悬停时光电吊舱自身的姿态信息，并发送至所述三轴伺服稳定单元；
S2、所述三轴伺服稳定单元接收光电吊舱自身的姿态信息后进行三轴运动控制，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的弹轴的夹角为0-0.1°；
S3、所述火力控制单元装载火控信息，并根据火控模型实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，且使得待灭火区域位于所述发射波门内；当着弹点落入发射波门内时，按设定发射序产生灭火弹自动发射信号；
以及S4、灭火弹发射控制器接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明采用三轴伺服稳定单元隔离无人机飞行过程中的姿态变化带来的扰动，保证灭火弹弹轴在惯性空间的稳定，并利用光电吊舱自动跟踪火点，三轴伺服稳定单元高精度随动于光电吊舱，从而提高了瞄准及射击精度；同时采用火力控制算法及射击波门技术，实现灭火弹的自动发射，提高了无人机在任何飞行状态下发射灭火弹的命中精度以及灭火弹发射的智能化程度。
附图说明
图1为本发明实施例一中无人机机载灭火弹装置的整体结构图；
图2为本发明实施例一中三轴伺服稳定单元的整体结构图；
图3为本发明实施例二中消防无人机的侧视图；
图4为本发明实施例二中消防无人机的结构示意图；
图5为本发明实施例二中飞行控制单元的结构示意图；
图6为本发明实施例三中火力控制单元产生着弹点坐标并设置发射波门的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本发明中的无人机机载灭火弹装置包括：N联装发射筒单元1(如三联装发射筒单元1)，其挂载于无人机机体100，且所述N联装发射筒单元1内容纳有至少一个灭火弹，N为正整数；三轴伺服稳定单元2，其连接所述N联装发射筒单元1，用于隔离机体飞行或悬停时的姿态扰动，保证所述N联装发射筒单元1在惯性空间的稳定；火力控制单元3，其通过接收到的火控信息实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，当着弹点落入发射波门内时，按设定发射顺序产生灭火弹自动发射信号；灭火弹发射控制器4，其连接所述N联装发射筒单元1，用于接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号完成灭火弹保险接触以及产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射；以及光电吊舱5，其连接所述无人机机体，用于实时获取火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或与火灾现场的距离信息，对火场火点进行自动图像跟踪以及获取无人机机体100飞行或悬停时光电吊舱5自身的姿态信息(如方位角和/或俯仰角和/或横滚角信息等)，并发送至所述三轴伺服稳定单元2，和/或，将所述火控信息发送至所述火力控制单元3，使得所述火控信息被所述火力控制单元3接收。例如，本实施例中的光电吊舱5包括：光学成像单元和/或激光测距单元；其中，所述光学成像单元包括红外热成像仪、高清昼光成像单元等。由此，可通过红外热成像、高清昼光成像进行火点探测和追踪，并通过激光测距单元测得火场距离无人机机体的距离信息，用于精确定位和火力控制计算。
其中，所述设定发射顺序来自于地面站，所述火控信息包括：机体与火灾现场的距离、灭火弹发射初速、风速、飞行高度中的一项或几项。
所述三轴伺服稳定单元2接收所述光电吊舱5发送的姿态信息后进行三轴运动控制，且三轴运动范围均为±(3-10)°(优选为±5°)，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱5的光轴的夹角为0-0.1°。具体的，如图2所示，所述三轴伺服稳定单元2与无人机机体刚性连接，其包括：三轴陀螺仪21、方位控制电机22、俯仰控制电机23、横滚控制电机24以及伺服控制驱动板25；其中，所述三轴陀螺仪21用于获取无人机机体的姿态信息(如方位角和/或俯仰角和/或横滚角信息等)；所述伺服控制驱动板25接收所述三轴陀螺仪21获取的无人机机体的姿态信息以及光电吊舱5发送的姿态信息，并在对两者进行比对后对应控制方位控制电机23和/或俯仰控制电机24和/或横滚控制电机25的运转，以实现三轴运动控制，并使得三轴运动控制产生的姿态变化信息(如方位角和/或俯仰角和/或横滚角信息)尽可能接近或等于无人机机体的姿态变化信息，但运动方向相反，以此隔离无人机机体的扰动，保证连接无人机机体的N联装发射筒单元在惯性空间中的三轴稳定。
由此，通过光电吊舱5对火点进行自动图像跟踪，并实时将光电吊舱5自身的姿态信息以及无人机机体的姿态信息发送至伺服控制驱动板25，以对三轴控制电机进行实时闭环控制，保证挂载在所述无人机机体上的灭火弹的弹轴与所述光电吊舱5的光轴的夹角始终为0-0.1°(即灭火弹的弹轴与所述光电吊舱5的光轴几乎平行)，实现N联装发射筒单元1与光电吊舱5的紧密随动，进一步提高灭火弹在任何飞行状态下的瞄准及射击精度。
优选的，所述方位控制电机22、俯仰控制电机23、横滚控制电机24中的一种或几种为无刷电机。
实施例二：
本实施例提高了一种消防无人机(优选为消防无人直升机)，如图3-4所示，其包括：无人机机体100，且所述无人机机体100上搭载有飞控***、动力***、电气***、传动***、通信***等，以完成无人机机体整体的自主或人工控制飞行；实施例一所述的无人机机载灭火弹装置200，其连接所述无人机机体100上；飞行控制单元6，其用于获取环境信息，并根据所述环境信息控制所述无人机机体100在空中的飞行姿态和/或轨迹，本实施例中，如图5所示，所述飞行控制单元6包括：避障传感器61，其包括视觉避障传感器、雷达避障传感器、声纳避障传感器中的一种或几种，用于实时获取障碍物信息；路径规划单元62，其用于接收所述障碍物信息，且根据所述障碍物信息构建实时环境三维地图，并完成定位和/或飞行路径规划，由此，可通过上述飞行控制单元6实现智能化飞行；地面站7、数据传输单元8以及火情处理单元9，所述数据传输单元7用于接收所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离和/或飞行姿态和/或轨迹信息，并将所述火灾现场的影像信息和/或音频信息实时传输至火场外的消防指挥平台10(如消防车等)，使得消防指挥平台10实时获取火场实时情报，所述消防指挥平台10根据所述火灾现场的影像信息和/或音频信息产生并显示警报信息和/或生成第一火灾处理方案，所述数据传输单元8还将所述飞行姿态和/或轨迹信息传输至所述地面站7进行显示和存储，以及将所述地面站7和/或消防指挥平台10产生的控制信号传输至所述光电吊舱5和/或灭火弹发射控制器和/或飞行控制单元4，以实现对于光电吊舱5和/或灭火弹发射控制器和/或飞行控制单元4的远程控制；
优选的，所述数据传输单元8还具有多点接入功能，能够起到中继作用，支持多架消防无人机组网；所述火情处理单元9，其连接所述无人机机载灭火弹装置200的光电吊舱5，用于根据所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离生成第二火灾处理方案，进一步的，所述火情处理单元9通过与所述消防指挥平台10的信号传递，将所述第二火灾处理方案传输至所述消防指挥平台10并显示，人员可通过防指挥平台8获取第一或在处理方案和/或第二火灾处理方案，并加以判断和选择。
由此，上述消防无人机可将各任务载荷(如无人机机载灭火弹装置200、飞行控制单元4等)通过数据传输单元8与地面站7、消防指挥平台10等集成为一个完整的***，提升了消防救援设备的智能化程度，能***性的解决特殊场合消防灭火救援问题。
此外，所述消防无人机还包括：救援设备11，其容纳于所述无人机机体100内和/或连接所述无人机机体100，且可被投掷，以离开所述无人机机体100，优选的，所述救援设备11包括：喊话器、照明灯、气体探测器、防火面罩、防火毯、便携式降落伞等，可根据现场情况进行投掷，以营救被困人员；
和/或，以完成机体起降的起降单元12，其包括：无人直升机停机坪和/或无人直升机机库，以供消防无人机自主起降及停放使用；
和/或，运输单元13，如作业运输车等，其用于运输所述机体和/或灭火弹、油料等补给物资；
和/或，保障单元14，其用于对所述无人机机体100进行常规维护和保养。
本实施例中的消防无人机将上述现有的任务载荷通过数据传输单元与地面站、消防指挥平台等集成为一个具有“察、灭、救”一体化的消防无人机***，同时采用多模式的智能化传感器，由此极大的提高了消防无人机智能化程度，以及提高火场判别处置的响应速度、实现精确的火力控制计算，由此能***性的解决特殊场合消防灭火救援问题；同时采用带多轴伺服稳定单元的灭火弹发射装置来提高灭火弹命中精度，使其可在飞行状态下远距离精准发射，以适用多种火灾场合的救灾需要。
实施例三：
本实施例还提供了一种实施例一所述的发射控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在所述无人机机体上安装N联装发射筒单元、三轴伺服稳定单元、火力控制单元、灭火弹发射控制器以及光电吊舱，并在出厂时进行吊舱光轴和灭火弹弹轴的电气零位校准，使得灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的光轴的夹角为0-0.1°；
无人机升空后，通过光电吊舱实时获取火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或与火灾现场的距离信息，对火场火点进行自动图像跟踪以及无人机机体飞行或悬停时光电吊舱自身的姿态信息，并发送至所述三轴伺服稳定单元；
S2、所述三轴伺服稳定单元接收光电吊舱自身的姿态信息后进行三轴运动控制，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的弹轴的夹角为0-0.1°，以实现实现N联装发射筒单元1与光电吊舱5的紧密随动；具体的，如实施例一所示，所述三轴伺服稳定单元2与无人机机体刚性连接，其包括：三轴陀螺仪21、方位控制电机22、俯仰控制电机23、横滚控制电机24以及伺服控制驱动板25；其中，所述三轴陀螺仪21用于获取无人机机体的姿态信息(如方位角和/或俯仰角和/或横滚角信息等)；所述伺服控制驱动板25接收所述三轴陀螺仪21获取的无人机机体的姿态信息以及光电吊舱5发送的姿态信息，并在对两者进行比对后对应控制方位控制电机23和/或俯仰控制电机24和/或横滚控制电机25 的运转，以对三轴控制电机进行实时闭环控制，保证挂载在所述无人机机体上的灭火弹的弹轴与所述光电吊舱5的光轴的夹角始终为0-0.1°(即灭火弹的弹轴与所述光电吊舱5 的光轴几乎平行)，实现N联装发射筒单元1与光电吊舱5的紧密随动，进一步提高灭火弹在任何飞行状态下的瞄准及射击精度；
S3、如图6所示，所述火力控制单元装载火控信息，并根据火控模型实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，并设置发射波门，且使得待灭火区域位于所述发射波门内；无人机机体根据着弹点坐标调整飞行位置(如调整飞行高度等)，当着弹点落入发射波门内时，所述火力控制单元按设定发射顺序产生灭火弹自动发射信号；
以及S4、灭火弹发射控制器接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号完成灭火弹保险接触以及产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的自动发射。
由此，通过采用典型火控模型及射击波门技术，提高了无人机在任何飞行状态下发射灭火弹的命中精度以及灭火弹发射的智能化程度。
综上所述，本发明采用三轴伺服稳定单元隔离无人机飞行过程中的姿态变化带来的扰动，保证灭火弹弹轴在惯性空间的稳定，并利用光电吊舱自动跟踪火点，三轴伺服稳定单元高精度随动于光电吊舱，从而提高了瞄准及射击精度；同时采用火力控制算法及射击波门技术，实现灭火弹的自动发射，提高了无人机在任何飞行状态下发射灭火弹的命中精度以及灭火弹发射的智能化程度。
需要说明的是，上述实施例一至三中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本申请的保护范围。且在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种无人机机载灭火弹装置，其特征在于，包括：N联装发射筒单元，其挂载于无人机机体，且所述N联装发射筒单元内容纳有至少一个灭火弹，N为正整数；三轴伺服稳定单元，其连接所述N联装发射筒单元，用于隔离机体飞行或悬停时的姿态扰动，保证所述N联装发射筒单元在惯性空间的稳定；火力控制单元，其通过接收到的火控信息实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，当着弹点落入发射波门内时，按设定发射顺序产生灭火弹自动发射信号；以及灭火弹发射控制器，其用于接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射；
所述无人机灭火弹装置还包括：光电吊舱，其连接所述无人机机体，用于获取机体与火灾现场的距离信息、对火场火点进行自动图像跟踪以及无人机机体飞行或悬停时光电吊舱自身的姿态信息，并发送至所述三轴伺服稳定单元；和/或，将所述火控信息发送至所述火力控制单元，使得所述火控信息被所述火力控制单元接收；
所述三轴伺服稳定单元接收光电吊舱发送的姿态信息后进行三轴运动控制，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的光轴的夹角为0-0.1°；
所述三轴伺服稳定单元与无人机机体刚性连接，且所述三轴伺服稳定单元包括：三轴陀螺仪、方位控制电机、俯仰控制电机、横滚控制电机以及伺服控制驱动板；所述三轴陀螺仪用于获取无人机机体的姿态信息；所述伺服控制驱动板接收所述三轴陀螺仪获取的无人机机体的姿态信息以及光电吊舱发送的姿态信息，并在对两者进行比对后对应控制方位控制电机和/或俯仰控制电机和/或横滚控制电机的运转，以实现三轴运动控制，保证连接无人机机体的N联装发射筒单元在惯性空间中的三轴稳定。
2.如权利要求1所述的无人机机载灭火弹装置，其特征在于，所述三轴伺服稳定单元的三轴运动范围均为±(3-10)°。
3.一种消防无人机，其包括无人机机体，其特征在于，所述消防无人机还包括：如权利要求1-2任一项所述的无人机机载灭火弹装置，其连接所述无人机机体上。
4.如权利要求3所述的消防无人机，其特征在于，所述消防无人机还包括：飞行控制单元，其用于获取环境信息，并根据所述环境信息控制所述机体在空中的飞行姿态和/或轨迹；地面站以及数据传输单元，所述数据传输单元用于接收所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离和/或飞行姿态和/或飞行轨迹信息，并将所述火灾现场的影像信息和/或音频信息实时传输至消防指挥平台，以及将所述飞行姿态和/或飞行轨迹信息传输至所述地面站。
5.如权利要求4所述的消防无人机，其特征在于，所述消防无人机还包括：火情处理单元，其连接所述无人机机载灭火弹装置，用于根据所述火灾现场的影像信息和/或音频信息和/或机体与火灾现场的距离生成火灾处理方案。
6.如权利要求4所述的消防无人机，其特征在于，所述消防无人机还包括：以完成机体起降的起降单元和/或用于对机体进行运输的运输单元和/或用于对机体实行保障维护的保障单元。
7.一种如权利要求1所述无人机机载灭火弹装置的发射控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过光电吊舱获取机体与火灾现场的距离信息、对火点进行自动图像跟踪以及无人机机体飞行或悬停时光电吊舱自身的姿态信息，并发送至所述三轴伺服稳定单元；
S2、所述三轴伺服稳定单元接收光电吊舱自身的姿态信息后进行三轴运动控制，使得所述灭火弹的弹轴与所述光电吊舱的弹轴的夹角为0-0.1°；
S3、所述火力控制单元装载火控信息，并根据火控模型实时生成当前飞行姿态条件下灭火弹着弹点坐标，同时设置发射波门，且使得待灭火区域位于所述发射波门内；当着弹点落入发射波门内时，按设定发射序产生灭火弹自动发射信号；
以及S4、灭火弹发射控制器接收所述灭火弹自动发射信号，且根据所述灭火弹自动发射信号产生灭火弹点火发射动作，以实现灭火弹的发射。
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