一种基于飞轮电池的高层消防无人机制造技术

技术编号:20373222 阅读:133 留言:0更新日期:2019-02-19 20:17
本发明专利技术为基于飞轮电池的高层消防无人机。该无人机机身、起落架等结构采用铝合金材料,四个旋翼等结构件使用中温固化的环氧树脂。采用飞轮电池和蓄电池协同供电方式。彩色数字摄像头和红外热成像仪集成安装在无人机头部中央,外侧有玻璃罩。其带有GPS全球定位系统,发生火灾时,消防部门给无人机输入火灾地点坐标,无人机能以最快速度、并精确到达火灾现场附近;到达火灾现场后,由专业的消防队员通过无人机前下方的彩色数字摄像头,第一时间远程查看火灾大小以及被困人员位置,规划救援预案。一方面,无人机组带的灭火燃料可以发射到火势集中的地方,短时间内快速控制火势;另一方面,消防人员可以根据被困人员位置,用最短的时间救援。

A High-level Fire-fighting UAV Based on Flywheel Battery

The present invention is a high-level fire fighting UAV based on flywheel battery. The structure of the UAV fuselage and landing gear is made of aluminium alloy, and the four rotors are made of epoxy resin cured at medium temperature. Flywheel battery and accumulator battery are used to supply power together. The color digital camera and infrared thermal imager are integrated and installed in the center of the UAV head, with a glass cover on the outside. It has GPS global positioning system. When a fire breaks out, the fire department inputs coordinates of the fire location to the UAV, and the UAV arrives near the fire site as quickly and accurately as possible. After arriving at the fire site, the professional firefighters can view the fire size and the location of the trapped persons remotely at the first time through the color digital camera in front and below the UAV, and plan the rescue plan. \u3002 On the one hand, the fire fighting fuel carried by the UAV can be launched to the place where the fire is concentrated and quickly controlled in a short time; on the other hand, fire fighters can use the shortest time to rescue the trapped according to the location of the trapped persons.

【技术实现步骤摘要】
一种基于飞轮电池的高层消防无人机
本专利技术涉及一种消防灭火设备,具体涉及一种高层消防无人机。
技术介绍
当高楼层发生火灾时,由于其火势蔓延途径多、速度快,且安全疏散困难,严重威胁群众人身财产安全。消防水枪喷射距离有限,消防员也难以迅速直接进入火灾现场。现有的普通消防无人机动力能源系统主要有锂电池和氢气燃料电池两种。锂电池续航里程维持20min左右,且寿命短;而氢燃料电池的安全性低,且不能高效存储,两者都无法满足无人机大规模使用和循环作业的要求。针对高层建筑灭火难的问题,设计出一种基于飞轮电池的高层消防无人机。飞轮电池安全可靠性强,能量密度和功率密度高,保证了该无人机可以迅速反应,起飞到达高层着火点。其自身携带的灭火燃料,可以迅速灭火,保证生命和财产安全。
技术实现思路
本专利技术,设计了一种携带灭火胶囊和彩色数字摄像头/红外热成像仪的高层消防无人机,能精确定位,快速反应。本专利技术是通过如下技术方案实现的:一种基于飞轮电池的高层消防无人机,包括动力能源系统、灭火装置和应急保护装置,飞机机体、数据链系统、发射回收系统、飞控系统。所述动力能源系统由动力源、传动机构、电池管理系统系统组成。所述动力源由一块飞轮电池,一块蓄电池协同供电,所述飞轮电池纵向平置在机体内部,通过铆钉固定到无人机地板上。蓄电池与飞轮电池并联,为无人机上电气设备供电。所述传动机构由电动机/发电机、变压器、变速器/减速器、螺旋桨组成。其中,螺旋桨有四个,对称分布于无人机的四个角。所述飞轮电池由飞轮、轴、轴承、电动机/发电机、真空容器和电力电子变换器组成;所述轴承采用主动磁悬浮轴承和推力轴承。主动磁悬浮轴承置于轴两侧末端,推力轴承置于两磁悬浮轴承右侧1/3处。所述飞轮采用碳纤维材料,位于推力轴承左侧,轴中央,通过平键和定位轴肩固定到轴上。所述真空容器内部设有压力传感器,实时监测真空容器内的气压,能最大程度降低飞轮电池的空阻损耗,保证其效率。所述灭火装置由灭火胶囊、灭火胶囊发射筒、真空室、气体发生剂组成。通过简单支架固定在无人机地板外侧,与无人机起落架互不干涉。所述灭火胶囊采用微胶囊技术,其表面是具有网状结构的聚硅氧烷有机膜;其内有湿度传感器,检测灭火胶囊湿度,保证干粉灭火的有效性。所述灭火胶囊嵌在发射筒内部通过卡扣锁紧。后部是真空室,里面有气体发生剂。气体发生剂由蓄电池提供高压,通过电子设备引燃。所述应急保护装置安装在无人机尾部,主要由减速伞、伞舱与弹射系统、机械开伞系统、减速伞控制器与供电系统四部分构成。所述开伞机构由舵机、U型杠杆、传动销、锁销及舵机固定架构成。所述机械开伞系统由舵机、舵机座、连杆、锁销组成,安装于伞舱顶部。所述伞舱由伞舱主体、底部弹射弹簧与弹簧压板组成。所述减速伞控制器与供电系统由低压电池、接收机、压力传感器组成。所述装置还包括彩色数字摄像头和红外热成像仪。彩色数字摄像头安装在无人机正前方,藏于机体头部内侧,外侧有玻璃罩保护装置。用于传输火灾现场高清画面。红外热成像仪,集成在彩色数字摄像头内部,通过成像的热像图来进一步确定被困人员位置。所述装置还包括GPS系统、测风仪、测温仪和大喇叭。GPS系统用以实现火灾地点和无人机自身地精确定位;测风仪和测温仪安装在无人机起落架内侧,主要监测火灾现场的风速、风向和温度情况,帮助消防员预测火势的发展状况;消防员可通过大喇叭向受困人员和周围围观人员传达救援信息和危险信息。所述飞机机体,包括纵梁、隔框和起落架等结构采用铝合金材料,四个旋翼及旋翼保护支架、蒙皮、机身的龙骨等结构件均大量使用中温固化的环氧树脂预浸料916,采用热压罐方法成型。所述起落架直接连接到无人机地板外侧的加强筋上。其内侧有测温仪和测风仪。所述数据链系统采用数传/导航兼备系统。由机载设备和地面设备构成。数据率为600bps,调制方式为ASK。专业消防员通过地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息,机载台按地址接收各自的信息,并在接收后经一定的延迟后向地面台发回复信息,实现对无人机远程的精准控制。所述发射回收系统采用旋翼垂直起降的方式,能最快实现无人机最快反应和空中悬停。所述飞控系统控制策略为模糊PID控制和滑模控制协同控制;主要模块包括主控制器模块、传感器模块、导航模块、电机控制模块、通信模块及数据采集模块。所述模糊PID控制器采用闭环控制。通过分析采集的无人机飞行误差数据及误差变化情况,及时调整PID的三个参数(比例、积分、微分),实现无人机位置控制。所述滑模控制器分为内环和外环两部分。将内环控制设为姿态控制器,外环控制设为高度控制器。姿态控制包括滚转、俯仰和偏航三个方向的控制以及悬停控制。所述主控制器模块采用ATMEGA2560-16AU为系统主控芯片;选择六轴惯性测量单元MPU6000和MS5611分别为气压计和惯性测量单元。有益效果:1.该高层消防无人机抛去传统供能方式,采用飞轮电池提供动力,弥补了锂电池和氢气燃料电池续航里程不足,易爆炸,储存困难的问题。飞轮电池储能密度可达100-200W·h/kg,功率密度可达5000-10000W/kg;工作效率可达85%-95%;工作温度范围宽:对环境温度没有严格要求;使用寿命长:不受重复深度放电的影响,能够循环几百万次运行,预期寿命20年以上;可在短时间内实现充放电(分钟级)。可实现无人机的快速启动,且维护保养成本较低,对环境没有损害。2.灭火胶囊和应急保护装置。将干粉灭火剂进行化学处理后同包覆有高分子树脂的红磷阻燃剂共同放置到灭火胶囊中。利用硅油对干粉颗粒进行表面处理,在其表面形成具有网状结构的聚硅氧烷有机膜,起到防潮、防结块与防腐蚀的作用。而微胶囊化后的红磷的吸湿性大大降低,与聚合物树脂之间的相容性也有所改善,而且难以自燃。考虑到火灾现场环境情况复杂,为避免无人机发生故障坠落造成不必要的伤亡,在无人机尾部增加了应急保护装置。当紧急或故障状态时,减速伞控制器接收到传感器采集的飞行器高度和无人机加速度突变数值,伞舱舱盖开锁,伞舱底部预压紧弹簧顶开舱盖,减速伞释放。附图说明图1是本专利技术提供的无人机实施例的结构示意图;图2是本专利技术提供的无人机实施例的俯视示意图;图3是本专利技术飞轮电池结构示意图;图4是本专利技术应急保护装置结构示意图;图5是本专利技术灭火装置结构示意图;图6是本专利技术传动系统结构示意图;图1-6的符号表示为:01、无人机,02、无人机机体,03、无人机旋翼装置,04、彩色数字摄像头/红外热成像仪,05、起落架,06、灭火胶囊,07、灭火胶囊发射筒,08、伞舱舱盖,09、径向磁力轴承,10、真空室,11、飞轮,12、飞轮电池,13、发动/电动机,14、飞轮电池外壳,15、保护轴承,16、传感器,17、径向传感器,18、传动轴,19、连接轴,20、舵机,21、舵机固定支架,22、U形杠杆,23、压紧弹簧,24、传动销,25、减速伞,26、锁销,27、无人机应急保护装置,28、弹簧固定支座,29、气体发生剂,30、温度传感器,31、真空室,32、湿度传感器,33、灭火装置具体实施方式为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本专利技术进行详细阐述。参见图1,是本专利技术实施例的结构示意图,同时参见图2,是图1的俯视示意图。所述无人机01主要包括无人机机体02、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞轮电池的高层消防无人机,其特征在于,包括包含飞轮电池的动力能源系统、灭火装置和应急保护装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于飞轮电池的高层消防无人机,其特征在于,包括包含飞轮电池的动力能源系统、灭火装置和应急保护装置。2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述动力能源系统由动力源、传动机构、电池管理系统系统组成。所述动力源由一块飞轮电池,一块蓄电池协同供电,所述飞轮电池纵向平置在机体内部,通过铆钉固定到无人机地板上。蓄电池与飞轮电池并联,为无人机上电气设备供电。所述传动机构由电动机/发电机、变压器、变速器/减速器、螺旋桨组成。其中,螺旋桨有四个,对称分布于无人机的四个角。3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述飞轮电池由飞轮、轴、轴承、电动机/发电机、真空容器和电力电子变换器组成;所述轴承采用主动磁悬浮轴承和推力轴承。主动磁悬浮轴承置于轴两侧末端,推力轴承置于两磁悬浮轴承右侧1/3处。所述飞轮采用碳纤维材料,位于推力轴承左侧,轴中...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱由锋刘新华王子博
申请(专利权)人:山东科技大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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