一种基于物联网与5G通信的森林火灾无人机协同灭火方法及系统与流程

本技术涉及森林火灾灭火的，尤其是涉及一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火方法及系统。

背景技术：

1、山地森林火灾的扑救作业中，无人机编队常被部署于火线上方空域，执行水袋或灭火弹的精准抛投。由于燃烧现场存在剧烈的热量释放，作业空域的底层大气环境极其复杂。无人机不仅需要克服高海拔固有的横向阵风，还持续受到火场中心向上的高温热上升气流干扰，处于多源气流叠加的三维紊流场中。真实林区的树冠冠层参差不齐，高程起伏显著，这对机载系统在极端流体力学边界下的空间坐标维持与抛投弹道解算提出了严苛的物理要求。

2、中国发明专利申请cn108159601a公开了一种抛投智能灭火弹无人机。该系统在多旋翼机体顶部搭载风速风向测定仪，利用红外与可见光复合设备定位火场发热区域，并通过超声波测距仪获取机身至下方燃烧面的单向垂直距离。在执行抛投逻辑时，其控制模块基于单点测得的瞬时风向、风速以及垂直高度，直接套用标准重力加速度下的理想平抛运动学公式，解算出水平投放提前距离以及灭火弹的延时起爆时间，随后装订参数并控制灭火弹顺风释放。

3、当上述无人机切入真实的火线正上方空域时，高温热对流形成的垂直向热上升气流会持续对机体产生非线性升力扰动。受限于依靠瞬时单向测距与理想运动学方程的底层控制架构，机载系统无法主动抵消该垂直向的紊流干涉，使得机体在脱钩释放前及释放瞬态难以维持稳定的绝对空间参考系。同时，单向测距模块仅能获取机身正下方的局部高度，脱离了目标抛投区域的整体地形基准。在横向阵风使得挂载物产生水平位移漂移时，其三维下落弹道所对应的实际地表高程早已偏离初始探测点的垂直距离。由于单点解算机制未将环境流体阻力与落点区域的绝对高程偏差纳入计算边界，预设的投掷提前量与固定延时起爆参数无法匹配沿途参差不齐的树冠物理分布，导致挂载物偏离预期靶心或发生异常高度的空爆，最终造成抛投作业的精确压制链路失效。

技术实现思路

1、为了解决悬停失稳与落点偏离问题，实现精准抛投，本技术提供一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火方法及系统。

2、第一方面，本技术提供的一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火方法，采用如下的技术方案：一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火方法，包括：

3、获取无人机在悬停空域的水平风速矢量及所述悬停空域与靶区的垂直热辐射梯度矩阵，交会获取靶心水平二维绝对坐标；

4、当所述悬停空域的热质心温差变化率持续大于预设的抗扰阈值时，联合无人机起飞质量生成反向补偿占空比控制字锁定绝对悬停坐标，否则保持常规锁定；

5、锁定后，提取所述靶区的地表绝对高程数据与垂直热上升气流矢量、所述绝对悬停坐标的z轴高程作为投掷高度约束，并获取平飞初速度矢量、环境空气密度及挂载物的固有空气阻力系数、参考迎风面积与载物质量；

6、以所述靶心水平二维绝对坐标为终点约束，联合所述水平风速矢量、地表绝对高程数据、投掷高度约束、垂直热上升气流矢量、平飞初速度矢量、环境空气密度、固有空气阻力系数、参考迎风面积及载物质量，逆向求解出三维抛投提前量坐标与空中飞行时间；

7、向所述三维抛投提前量坐标飞行，当三维空间直线距离小于预设的脱钩半径时释放所述挂载物。

8、可选的，在获取所述水平风速矢量之前，还包括：

9、获取所述无人机的定位坐标；当所述定位坐标切入预设的电子围栏时，建立局域控制网；经由所述局域控制网触发气流采集与多视角热辐射扫描，以生成所述水平风速矢量、所述垂直热辐射梯度矩阵及所述靶心水平二维绝对坐标。

10、可选的，所述锁定绝对悬停坐标的步骤包括：

11、将所述热质心温差变化率与所述无人机起飞质量作为索引，在预设的热对流-升力映射表中提取补偿占空比以生成所述反向补偿占空比控制字，注入旋翼电子调速器维持所述绝对悬停坐标。

12、可选的，判定所述挂载物为灭火弹时，释放前还包括：

13、基于所述靶区的树冠冠层高程与空爆高度偏移量构建空爆绝对高程；将所述空爆绝对高程替换所述地表绝对高程数据，重新逆向求解出所述三维抛投提前量坐标与最佳空爆飞行时间；将所述最佳空爆飞行时间作为延时参数写入所述灭火弹。

14、可选的，释放前还包括：

15、若机身下方热辐射值大于预设的物理耐受阈值，控制所述无人机垂直拉升中止投掷，并将所述投掷高度约束、所述三维抛投提前量坐标、所述靶心水平二维绝对坐标、所述水平风速矢量、所述垂直热上升气流矢量、所述平飞初速度矢量及拉升报警状态发送至编队僚机；所述编队僚机将所述投掷高度约束增加预设的安全补偿高度，重新触发逆向求解步骤以获取更新的三维抛投提前量坐标，并据此控制飞行与释放后备挂载物。

16、可选的，释放前还包括：

17、当主链路的衰减参数大于预设的切换阈值时，控制所述无人机悬停，接入基于本地mesh自组网的备用信道，关闭视频流上行端口，并独占所述备用信道的带宽以传输包含所述三维抛投提前量坐标、所述空中飞行时间与所述平飞初速度矢量的控制报文。

18、可选的，所述传输控制报文的步骤包括：

19、将所述控制报文封装为剔除ip报头并包含帧头的纯二进制字节信令；利用介质访问控制层时分多址时隙预留策略将所述备用信道降级为机间中继通道，无分片透传所述纯二进制字节信令。

20、可选的，透传所述纯二进制字节信令后，还包括：

21、编队僚机经由所述机间中继通道接收并解封装提取所述三维抛投提前量坐标、所述空中飞行时间与所述平飞初速度矢量以控制飞行；在到达所述三维抛投提前量坐标且距离满足脱钩要求时释放挂载物。

22、可选的，所述逆向求解的步骤包括：

23、将解算所需参数发送至三维可视化指挥平台，代入包含三维环境风速矢量的流体动力学方程，以所述靶心水平二维绝对坐标为终点约束进行反向数值寻优，解算出所述三维抛投提前量坐标与所述空中飞行时间并回传。

24、第二方面，本技术提供的一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火系统，采用如下的技术方案：一种基于物联网与5g通信的森林火灾无人机协同灭火系统，包括：

25、数据获取模块，用于获取水平风速矢量及垂直热辐射梯度矩阵，交会获取靶心水平二维绝对坐标；

26、坐标锁定模块，用于当悬停空域的热质心温差变化率持续大于预设的抗扰阈值时联合无人机起飞质量锁定绝对悬停坐标，否则保持常规锁定；

27、参数提取模块，用于提取靶区地表绝对高程数据与垂直热上升气流矢量、绝对悬停坐标的z轴高程作为投掷高度约束，并获取平飞初速度矢量、环境空气密度及挂载物动力学参数；

28、逆向求解模块，用于联合上述各参数逆向求解出三维抛投提前量坐标与空中飞行时间；

29、抛投执行模块，用于向所述三维抛投提前量坐标飞行并在三维空间直线距离小于预设的脱钩半径时释放挂载物。

30、综上所述，本技术包括以下有益技术效果：

31、1、通过获取悬停空域的热质心温差变化率作为热冲流强度指征，并在该变化率持续超出抗扰阈值时联合起飞质量生成反向补偿占空比控制字以锁定绝对悬停坐标，消除了垂直向热冲流对机体产生的非线性升力扰动，维持了脱钩释放前及释放瞬态的稳定空间参考系；同时以靶心水平二维绝对坐标为终点约束，联合水平风速矢量、地表绝对高程数据、投掷高度约束、垂直热上升气流矢量及挂载物动力学参数逆向求解三维抛投提前量坐标与空中飞行时间，将环境流体阻力与落点区域的绝对高程偏差纳入弹道计算边界，使挂载物的实际落点逼近靶心且空爆高度匹配树冠冠层分布，从而有效提升了抛投作业的命中精度。

32、2、在判定挂载物为灭火弹时，基于靶区的树冠冠层高程与空爆高度偏移量构建空爆绝对高程，以替换地表绝对高程数据并重新逆向求解三维抛投提前量坐标与最佳空爆飞行时间，将该最佳空爆飞行时间作为延时参数写入灭火弹，避免了直接使用起抛点悬停坐标推导靶心上空弹道所造成的运动学时空错位，修正了截断引爆导致的水平距离计算误差，从而提高了灭火弹在树冠冠层上方空爆的时空一致性。

33、3、当主链路衰减参数超出切换阈值时，控制无人机悬停并接入基于本地mesh自组网的备用信道，关闭视频流上行端口以独占该备用信道带宽，将包含三维抛投提前量坐标、空中飞行时间与平飞初速度矢量的控制报文封装为剔除ip报头并包含帧头的纯二进制字节信令，利用介质访问控制层时分多址时隙预留策略无分片透传该信令，避免了火场弱覆盖环境下网络层协议开销与报文分片丢失导致的控制指令缺失，保障了编队僚机在弱网条件下的控制报文完整接收与挂载物释放动作的持续执行。