基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射系统及方法与流程

本发明涉及无人机消防，尤其涉及基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射系统及方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的快速发展，其在应急救援中的应用已逐渐普及，尤其是在火灾扑救任务中，无人机因其灵活性、机动性和快速响应能力而展现出独特优势。然而，现有的无人机灭火弹投射系统在实际面临极端火场环境时，仍存在显著的技术瓶颈。

2、首先，在弹道解算与飞行补偿方面，现有物理模型严重脱离真实火场环境。现有投射系统多采用简单的重力投放或基于固定角度的发射方式，少数引入基础风偏补偿的方案也仅针对单一方向的风速，缺乏对三维风场（尤其是高空强侧风）非线性干扰的全面修正。更为致命的是，森林大火或高层建筑火灾中心的高温会引发强烈的上升热对流（热透镜与热烟囱效应）。这种极端向上的热浮力会对质量较轻的灭火剂云团或弹体产生显著的垂直托举作用，导致实际下落时间（滞空时间）远大于理论计算值。忽略这一热力学耦合效应，会导致原有的风偏补偿参数彻底失效，产生极大的落点漂移。

3、其次，在灭火剂喷射与执行机构方面，现有装置适应性差且故障率高。 传统灭火弹喷射结构大多采用单一模式（通常为直流喷射），在大面积火源中覆盖范围不足，无法根据火场面积动态调节灭火剂的扩散形态。同时，在复杂火场环境下，灭火剂极易因高温发生局部固化或黏度突变，导致散喷挡板微孔发生堵塞。现有的防堵塞或堵塞检测技术通常需要额外加装昂贵且笨重的扭矩传感器或高精度电流计，这不仅增加了超轻型无人机挂载系统的无效载荷，还降低了系统在恶劣电磁环境下的可靠性，亟需一种无传感器的轻量化堵塞自感知机制。

4、最后，在落点检测与视觉反馈方面，现有系统极易受大气湍流干扰。 真实火灾上方存在强烈的温度梯度，会导致空气折射率高频交变，进而引发严重的光学畸变与图像抖动。传统的单波段视觉识别算法在这种“热透镜效应”与浓烟遮挡的双重干扰下，极易提取到虚假的散布中心，导致落点解算失效或产生反向的错误补偿，无法满足极端恶劣工况下的高可靠闭环修正需求。

5、综上所述，现有系统的智能化水平较低，缺乏多维度的环境感知与故障自愈能力，仍需大量人工干预。因此，迫切需要一种全新的无人机智能投射与控制系统，能够综合克服热力学托举、强侧风干扰、喷口堵塞以及光学畸变等多重复杂因素，实现高精度投射、自适应模态切换及高可靠作业，以满足现代特种消防应急的实际需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射系统与方法，专门用于超轻型灭火弹的精准投射与高效灭火。通过精确的多维弹道补偿、智能堵塞自感知扩散装置与抗扰动视觉闭环系统，显著提升了无人机挂载灭火弹在复杂极端环境下的投射精度与设备可靠性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射系统，包括：无人机搭载平台、环境感知模块、智能弹道解算模块、投射控制模块、双模式扩散装置以及视觉反馈闭环模块；

4、所述环境感知模块用于实时采集投射点的高度、目标点的水平距离、三维风速矢量信以及火源中心温度梯度数据，并将采集的数据同步传输至智能弹道解算模块；

5、所述智能弹道解算模块内置有风场与热力学耦合修正模型，用于根据接收到的三维风速矢量将风场分解为轴向分量与侧向分量；同时，根据接收的火源中心温度梯度数据，解算出热对流引发的垂直上升气流速度，并将其转化为等效垂直加速度补偿项；基于修正因子，并根据实时侧向风速是否超过预设的气动失稳阈值，选择性地叠加与卡门涡街频率反相的非线性涡旋补偿分量，计算出最终修正的投射俯仰角和偏航角；

6、所述双模式扩散装置安装于灭火弹的释放端，用于通过改变内部流道截面的拓扑结构来调节灭火剂的喷射形态；

7、所述投射控制模块分别与智能弹道解算模块及双模式扩散装置通信连接，用于根据计算出的投射角度调整无人机姿态，并根据火源特征指令驱动双模式扩散装置切换喷射模态；

8、所述视觉反馈闭环模块包含设置于无人机下方的双波段光电探测单元与边缘计算单元，用于在灭火弹投射后，通过双源特征融合与热流扰动滤波算法，在高温热对流干扰下稳定捕捉灭火剂爆发点的实际中心坐标，并通过几何解算获取实际落点与目标点的偏差，将其反馈至智能弹道解算模块。

9、作为进一步的技术方案，所述双模式扩散装置包括驱动电机、传动轴、磁性联轴器以及一组同心安装的相对运动挡板，所述相对运动挡板包括固定的直流挡板和可旋转的散喷挡板；所述直流挡板开设有中心主通孔，所述散喷挡板开设有呈阵列分布的微孔结构或边缘缺口；所述驱动电机通过驱动散喷挡板相对于直流挡板旋转产生相位差，从而改变通孔的有效重合度以实现喷射模式的无级切换；

10、所述喷射模式分为集束射流模式和广域扩散模式；其中，集束射流模式为：当两挡板的孔径重合度处于高通量状态时，形成低阻力的直流通道，使灭火剂呈集束状射出；广域扩散模式为：当两挡板的孔径重合度处于低通量错位状态时，流体通道形成交错缝隙，利用机械剪切力使灭火剂呈雾化湍流状射出。

11、作为进一步的技术方案，所述高通量状态设定为两挡板孔径重合率达到第一预设阈值，此时形成集束射流；所述低通量错位状态设定为两挡板孔径重合率低于第二预设阈值，此时形成扩散云团；投射控制模块可控制电机在全闭合状态至全重合状态的区间内进行连续的线性调节。

12、作为进一步的技术方案，所述驱动电机与传动轴之间通过磁性联轴器连接，所述磁性联轴器包括电机侧的永磁体盘和挡板侧的磁吸盘；所述磁性联轴器的接触端面设有防转限位结构，且具备满足投射载荷需求的磁吸固持力，用于实现双模式扩散装置的免工具快速拆装与过载打滑保护。

13、作为进一步的技术方案，还包括：基于磁性联轴器的无扭矩传感器堵塞自感知模块；所述无扭矩传感器堵塞自感知模块以预设频率采集霍尔传感器反馈的散喷挡板的实际机械相位，并与驱动电机的理论驱动电相位进行实时比对，解算出磁相位滑差；

14、当判定磁相位滑差过预设的滞后阈值时，判定双模式扩散装置的微孔结构发生局部堵塞，并自动拦截当前的喷射模态切换指令，随即驱动电机进入高频交变反转疏通模式，通过输出周期性的正反向激振力清除挡板孔隙的流体淤积，直至磁相位滑差恢复至正常区间。

15、作为进一步的技术方案，还包括：安全互锁机构，所述安全互锁机构与投射控制模块连接；所述安全互锁机构包含物理限位销或断电常闭式电磁锁，当判定灭火弹处于飞行中途或未接收到投射指令时，机械锁定双模式扩散装置处于全闭合状态，防止因震动或误触导致的灭火剂提前泄漏。

16、第二方面，本发明提供了基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射方法，基于第一方面任一项所述的基于风场补偿与双模式扩散的灭火弹智能投射系统，包括如下步骤：

17、步骤s1：获取无人机的当前位姿、投射高度、目标距离、环境三维风速矢量以及火源温度梯度数据；

18、步骤s2：将环境三维风速矢分解为纵向风分量与侧向风分量，并结合火源温度梯度数据修正等效重力加速度；基于修正后的等效重力加速度，判定侧向风速是否达到气动失稳阈值，以选择性启动非线性涡旋补偿算法，输出最优俯仰角和偏航角；

19、步骤s3：提取火源区域的等效直径特征或高温像素占比，判定火源类型，动态计算双模式扩散装置的最佳挡板重合率，并驱动电机调整到位后根据解算角度执行投射；

20、步骤s4：在投射完成后，捕捉地面灭火剂的散布中心坐标，计算其与预设目标坐标的欧氏距离误差，并将该误差存入历史误差数据库，用于修正下一次投射的解算参数。

21、作为进一步的技术方案，步骤s2具体包括：首先，提取火源温度梯度数据，利用布辛斯克近似计算火场上方的垂直上升气流速度，以此修正灭火弹下落的等效重力加速度，并重新预估考虑了热浮力托举效应的真实滞空时间；

22、其次，若侧向风速小于预设的气动失稳阈值，结合执行标准弹道风偏解算；

23、最后，若侧向风速大于或等于所述气动失稳阈值，在标准解算的基础上启动非线性涡旋补偿算法，在偏航角计算中引入与卡门涡街频率反相的阻尼修正项，以抵消高雷诺数下弹体产生的侧向漂移力。

24、作为进一步的技术方案，步骤s4具体包括：建立以无人机光电探测单元为原点的空间坐标系，同步采集灭火剂释放区域的rgb可见光图像与ir热红外图像；实时提取可见光图像中的高频边缘特征与热红外图像中的高温分布特征，进行自适应双波段加权融合；针对火场对流层引起的光学畸变，将连续多帧融合图像的中心坐标输入自适应卡尔曼滤波器进行动态状态估计，滤除由大气湍流引发的高频图像抖动噪声，从而提取出稳定真实的落点像素坐标；最后结合无人机的下视角度和高度，利用三角测量原理反解算出地面的实际落点位置偏差矢量，通过pid算法转化为下一枚灭火弹的发射角补偿量。

25、作为进一步的技术方案，步骤s2中还包括自适应权重调整策略，系统读取历史误差数据库中的最近n次投射数据，根据风速相似度分配权重，动态调整当前解算公式中的风阻经验系数，实现对环境变化的自学习适应。

26、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

27、（1）极限抗扰的投射精度：突破传统单一风场补偿局限，首创热力学（上升对流层托举）与气动力（卡门涡街振荡）双重耦合弹道模型，配合双波段卡尔曼滤波抗畸变视觉闭环，在“高风速+高热浪”的极恶劣火场环境中依然能实现厘米级的高精度自学习落点修正。

28、（2）零硬件成本的健康自诊：巧妙利用磁性联轴器的柔性传动特征解算磁相位滑差，无需增加昂贵且笨重的扭矩传感器，即可实现散喷模式下的微孔堵塞自感知与高频震荡自清理，大幅提高了系统在恶劣工况下的免维护性与作业可靠性。

29、（3）动态自适应的灭火战术：模态扩散装置通过电机对双挡板相位的连续线性调节，可在毫秒级内完成高初速“集束射流”（定点打击核心火源）与大角度“雾化散喷”（广域压制地表火）的无级切换，实现火情特征与喷射模态的完美智能适配。