一种高空灭火飞行机器人、控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种高空灭火飞行机器人、控制系统及控制方法，飞行机器人包括飞行器本体、转动机械臂、视觉识别单元和喷水单元，转动机械臂可相对飞行器本体转动一定角度；控制系统包括遥控终端、视觉识别单元、PD控制器、RBF网络自适应滑膜控制器和反作用力控制单元，操作人员利用遥控终端控制飞行机器人飞到特定位置，视觉识别单元根据拍摄到的火焰图片识别出火源的位置；PD控制器根据识别出的火源位置，调整转动机械臂的关节角，RBF网络自适应滑膜控制器根据识别出的火源位置，调整飞行器本体的姿态和位置；分析飞行机器人喷洒作业时的受力，并给飞行机器人相应的前馈补偿，保证飞行机器人在工作时的稳定性，实现高层建筑的自主灭火。灭火。灭火。

【技术实现步骤摘要】
一种高空灭火飞行机器人、控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行机器人
，尤其涉及一种高空灭火飞行机器人、控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]随着城市的高速发展，高层建筑在解决城市居民住宅紧张问题上发挥了重要作用，但当发生火灾时，高层建筑的消防成为难题，由于消防云梯的高度有限，消防人员在外难以对较高层建筑进行有效的灭火措施，而且高层建筑内部空间拥挤，人员狭窄，消防人员难以进入建筑内部进行灭火作业，且进入内部进行灭火作业对消防人员的人生安全带来极大的威胁，因此如何解决高层建筑消防作业一直是国内外探索的难题。
[0003]当前高层建筑消防常用的方法有两种，第一种方式是采用云梯作为升降平台，由消防员来控制喷洒方向来进行灭火，但这种方式所能达到的高度受限，且消防员在云梯上的操作较为困难；第二种方式是利用直升机对准火焰目标丢灭火包，通过灭火包里面的灭火材质来进行灭火，但这种方式对操作人员的要求较高，且效力较低，成本较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开的一种高空灭火飞行机器人、控制系统及控制方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高空灭火飞行机器人，其特征在于，包括：飞行器本体(1)，用以根据控制指令飞行；转动机械臂，用以根据控制指令实现一定角度的转动，所述转动机械臂包括固定安装环(21)、第一环形安装板(22)、第二环形安装板(23)、第一支撑架(24)、第二支撑架(25)和电机(26)，所述固定安装环(21)的内周面形成有若干齿状凸起(211)，所述第一环形安装板(22)和所述第二环形安装板(23)结构相同，对称地固定在所述固定安装环(21)的两侧，且第一环形安装板(22)和第二环形安装板(23)固定连接所述飞行器本体(1)，所述第一环形安装板(22)和所述第二环形安装板(23)之间转动安装有若干齿轮(27)，且所述齿轮(27)与固定安装环(21)内周面形成的齿状凸起(211)啮合；所述固定安装环(21)上还固定连接有第三支撑架(212)和第四支撑架(213)，所述第一支撑架(24)与所述第三支撑架(212)和第四支撑架(213)之间连接有连杆(28)，所述第二支撑架(25)与所述第三支撑架(212)和第四支撑架(213)之间也连接有连杆(28)，所述电机(26)固定连接所述第一环形安装板(22)，且所述电机(26)的输出轴连接所述第一环形安装板(22)和所述第二环形安装板(23)之间的其中一个齿轮(27)；喷水单元，当飞行器本体(1)到达指定位置，转动机械臂转到指定角度，喷水单元完成喷水动作，所述喷水单元包括水箱(31)、第一水管(32)和第二水管(33)，所述水箱(31)固定在所述飞行器本体(1)上，所述第一水管(32)的一端连接所述水箱(31)，另一端连接地面供水装置；所述第二水管(33)的一端连接所述水箱(31)，另一端连接喷头；视觉识别单元，用以识别火源，所述视觉识别单元包括相机(41)和工控机(42)，所述相机(41)用以拍摄火焰图片，并将图片传输至工控机(42)，所述工控机(42)接收所述相机(41)拍摄的图片，并根据目标检测算法找到火源位置。2.根据权利要求1所述的一种高空灭火飞行机器人，其特征在于，所述转动机械臂上还配备有配重块，用以保持转动机械臂与飞行器本体(1)的重心一致。3.根据权利要求1所述的一种高空灭火飞行机器人，其特征在于，所述第一环形安装板(22)和所述第二环形安装板(23)之间等间距的转动安装有4个齿轮(27)。4.根据权利要求1所述的一种高空灭火飞行机器人，其特征在于，所述第二支撑架(25)上固定有支撑管(251)，用以支撑水管。5.根据权利要求3所述的一种高空灭火飞行机器人飞行器，其特征在于，所述相机(41)固定在所述支撑管(251)上。6.一种高空灭火飞行机器人的控制系统，其特征在于，包括：遥控终端，操作人员利用遥控终端控制飞行机器人的飞行；视觉识别单元，当操作人员利用遥控终端控制飞行机器人飞到特定位置时，视觉识别系统拍摄火焰图片，并根据拍摄到的火焰图片识别出火源的位置；PD控制器，用以根据所述视觉识别系统识别到的火源的位置，调整转动机械臂的关节角；RBF网络自适应滑膜控制器，用以根据所述视觉识别系统识别到的火源的位置，调整飞行器本体的姿态和位置；反作用力控制单元，用以补偿喷水单元产生的反作用力，保证飞行机器人在工作时的稳定性。
7.一种高空灭火飞行机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：初始化；S2：设定飞行机器人的相关参数；S3：操作人员通过遥控终端控制飞行机器人飞至特定位置；S4：飞行机器人飞至特定位置时，视觉识别单元确定火源位置坐标；S5：控制器根据视觉识别单元确定的火源位置坐标，改变飞行机器人的位置和姿态、改变转动机械臂的转动关节角，以控制纵向通道；改变飞行机器人的偏航角，以控制横向通道，实现飞行机器人对火源的实时跟踪；S6：在喷水作业时，控制飞行机器人在工作过程中的反作用力。8.根据权利要求7所述的一种高空灭火飞行机器人的控制方法，其特征在于，步骤S5的具体实现为：建立飞行机器人的系统模型；设I:{o
i
‑
x
i
,y
i
,z
i
}为惯性坐标系，B:{o
b
‑
x
b
,y
b
,z
b
}为飞行器本体的坐标系，J:{o
j
‑
x
j
,y
j
,z
j
}为转动机械臂的关节坐标系，E:{o
e
‑
x
e
,y
e
,z
e
}为喷水单元的坐标系；p
b
＝[x,y,z]
T
表示飞行器本体的位置矢量，η
b
＝[φ,θ,ψ]
T
为飞行器本体的滚转、俯仰和偏航角，旋转矩阵可表示为：其中，c表示为cos，s表示为sin；喷水单元的位置p
e
＝[x
e
,y
e
,z
e
]
T
和由喷水单元的姿态角η
e
＝[φ
e
,θ
e
,ψ
e
]
T
组成的旋转矩阵可分别表示为：可分别表示为：其中，
B
p
e
和分别为坐标系中转动机械臂末端相对于飞行器本体的位置和姿态；使用牛顿
‑
欧拉法建立飞行器本体的动力学方程可表示为；欧拉法建立飞行器本体的动力学方程可表示为；其中，m
u
为飞行器本体的质量，I
b
＝diag(I
xx
,I
yy
,I
zz
)是飞行器本体的惯性矩阵，Ω＝[Ω
x
,Ω
y
,Ω
z
]
T
是在坐标系{B}中的飞行器本体的角速度，f和M＝[M
x
,M
y
,M
z
]分别是在坐标系{B}中的总推力和力矩，p
b
为无人机位置，e3表示机体z方向的单位向量；飞行器本体在坐标系{B}中的角速度Ω和在坐标系{I}中的欧拉角速率通过矩阵Ψ(η
b
)进行转换，Ω可表示为：
使用牛顿—欧拉法得到转动机械臂的动力学方程，表示为：其中，M(q)表示转动机械臂的质量矩阵，表示转动机械臂的科氏力和离心力，G(q)是转动机械臂的重力力矩，τ表示转动机械臂的关节力矩；获取飞行机器人的视觉伺服；建立相机的几何模型，定义相机的坐标系{c}:{o
c
‑
x
c
y
c
z
c
}，定义以物理位置表示的图像坐标系{i}:{o
i
‑
x
i
y
i
z
i
}，特征目标在惯性坐标系下坐标为p，喷洒单元为ep
t
；设相机坐标系和飞行机器人坐标系中心点一致，相机光轴方向同飞行机器人的x轴方向一致，因此，其中，
B
v为相机线速度在坐标系{B}中的表示,
C
v为相机线速度在坐标系{C}中的表示，
B
ω为相机角速度在坐标系{B}中的表示，
C
ω为相机角速度在坐标系{C}中的表示,为相机坐标系和飞行器本体的坐标系的旋转矩阵，其中，
J
v.为相机线速度在坐标系{J}中的表示，
J
ω为相机角速度在坐标系{J}中的表示，为相机坐标系和转动机械臂的关节坐标系的旋转矩阵，将图像的跟踪误差定义为：其中，(
i
x
o
,
i
y
o
)为图像的收敛点；设计飞行器本体的偏航角速度
B
ω
z
和转动机械臂的转动角速度的控制器：在IBVS中，s＝[
i
x i
y]
T
为特征目标的中心点，根据IBVS的基本方程,s与
c
v之间的关系表示为：其中，L
s
∈R2×6为与s相关的图像雅克比矩阵；
c
z为特征点相对于相机坐标系的深度信息，
c
v＝[
c
v
xc
v
yc
v
z
]
T
，
c
ω＝[
c
ω
xc
ω
yc
ω
z
]
T
；根据图像跟踪误差定义e＝[
i
x i
y]
T
，在垂直方向，飞行机器人有一个自由度
c
ω
x
，并且
c
v
x
,
c
v
y
,
c
v
z
,
c
ω
y
为零，因此：在水平方向，飞行机器人有一个自由度
c
ω
y
，并且
c
v
x
,
c
v
y

【专利技术属性】
技术研发人员：马瑞，章顺，丁力，黄明，陆明月，强红宾，孙振秋，钱嘉阳，冯辰宇，厉冯鹏，韩锦锦，
申请(专利权)人：宝应县鑫龙铸造有限公司，
类型：发明
国别省市：