一种异构无人消防系统及其工作方法

1.本发明涉及消防装置技术领域，尤其是涉及一种异构无人消防系统及其工作方法。


背景技术：

2.在干燥、缺水、偏远的火灾易发区域，火灾的发生往往具有突发性强、预防性弱的特点，由于具有空间上的偶然性和时间上的不确定性，这种火灾一旦发生，往往会造成严重的财产损失，更有甚者会危及人民的生命财产安全。比如在冬季的草原、山区森林，一些存在易燃物的工厂等，火灾一旦发生，其后果不堪设想。上述的几种火灾易发区域，目前还没有设置完备的防范体系，通常是在火势发展起来之后，只能依靠消防员赶到现场控制火情，错过了灭火的先机。
3.中国专利cn201520794807.7利用无人机根据红外热像仪对火灾隐形进行识别和监测，并将监测过程数据传输到监控中心。但该方案只能及早发现火灾，而无法实现火灾的及早扑灭和预防，并且如何保证持续的能源供给也将是一个待解决的问题。这种方法很有可能在有效救援到来之前，火势就发展到相当程度，给灭火带来一定困难，甚至造成难以挽回的灾难。
4.中国专利cn201920249972.2提供了一种无人机库系统及消防车，此方案在车辆上设置无人机库系统，具体是利用无人机勘探火情以及协调消防队员，同样无法从火灾源头上作出及早预防，也不能进行灭火操作。
5.因此，亟需设计一种火灾发现快、处理快，可以将火灾扼杀在诞生初期，甚至实现对高温区域提前降温的消防灭火系统。同时这种系统还应具有一定的完备性，能够实现整个系统的水电等自动补给、定时巡查与及早灭火的闭环作业。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种异构无人消防系统及其工作方法，以实现一种完备的自供给火灾防范系统，通过巡查周围环境，能够实现火灾发生前的预防和火灾发生初期的提前消灭。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种异构无人消防系统，包括补给站、消防小车以及消防无人机，所述消防小车和消防无人机分别与控制系统相连接，所述补给站用于为消防小车提供充电、加油以及加水服务，所述消防小车包括可移动的车架，所述车架上设置有车载感知模块、车载储水模块、车载储能模块、车载通信模块、车载驱动模块、车载灭火模块和无人机补给模块，所述消防无人机包括机载感知模块、机载储水模块、机载储能模块、机载通信模块、机载驱动模块和机载灭火模块。
8.进一步地，所述车载感知模块设置在车架的前端，所述车载感知模块包括摄像头和红外热像仪，用于识别烟雾以及着火区域；
9.所述车载储水模块包括车载水箱和集水器，所述车载水箱设置有补水接口，所述
集水器与车载储能模块连接，由车载储能模块提供电能给集水器，所述集水器连接有软管，所述软管的出口与补水接口相对设置；
10.所述车载储能模块包括蓄电池、太阳能光伏板以及油箱，所述蓄电池的输入端与太阳能光伏板连接，所述蓄电池的输出端与车载驱动模块、机载储能模块相连接，所述油箱的输出端与车载驱动模块连接；
11.所述车载通信模块包括车载gps和车载无线通信子模块，所述车载gps用于获取消防小车的位置信息，所述车载无线通信子模块用于实现消防小车和消防无人机之间的信息交互；
12.所述车载驱动模块采用油电混合动力结构；
13.所述车载灭火模块包括车载灭火喷头，所述车载灭火喷头连接有车载水泵，所述车载水泵通过水管与车载水箱相连接；
14.所述无人机补给模块包括补给车箱、无人机电池替换子模块以及无人机补水子模块。
15.进一步地，所述集水器包括冷凝风扇和冷凝片，所述冷凝片后部设置有集气风扇。
16.进一步地，所述机载感知模块包括摄像头和红外热像仪，用于识别烟雾以及着火区域；
17.所述机载储水模块包括无人机水箱，所述无人机水箱设置有补水接口；
18.所述机载储能模块具体为无人机可替换电池；
19.所述机载通信模块包括机载gps和机载无线通信子模块，所述机载gps用于获取无人机的位置信息，所述机载无线通信子模块用于实现消防无人机和消防小车之间的信息交互；
20.所述机载驱动模块与机载储能模块连接，以获取能量后驱动无人机进行定点巡查以及灭火操作；
21.所述机载灭火模块包括机载灭火喷头，所述机载灭火喷头连接有机载水泵，所述机载水泵通过水管与无人机水箱相连接。
22.进一步地，所述车载水箱与无人机水箱之间通过软管相连接。
23.进一步地，所述车载水箱与无人机水箱内分别设置有水位监测器。
24.进一步地，所述油箱内设置有油位监测器。
25.进一步地，所述蓄电池和无人机可替换电池分别设置有电量检测器。
26.一种异构无人消防系统的工作方法，包括以下步骤：
27.s1、控制系统发出启动指令给消防小车；
28.s2、分别获取当前消防小车的蓄电池电量、油箱油量以及车载水箱内的水量，以判断消防小车是否需进行补给，若蓄电池电量、油箱油量或车载水箱内的水量小于对应的阈值，则控制系统发出指令给消防小车，使消防小车移动至补给站进行相应补给；
29.否则消防小车释放消防无人机，利用消防无人机对周围环境进行定点巡查；
30.s3、若巡查出现高温区域，则消防无人机对高温区域进行喷水降温操作；
31.若巡查出现火情，则消防无人机发出相应信号给消防小车，由消防无人机和消防小车协作进行灭火操作；
32.同时消防无人机实时监测无人机可替换电池的电量和无人机水箱的水量，若无人
机可替换电池的电量或无人机水箱的水量小于对应的阈值，则消防无人机发出相应信号给消防小车，并返回至消防小车的补给车箱进行相应补给。
33.进一步地，所述步骤s3中消防无人机和消防小车协作进行灭火操作的具体过程为：消防无人机将当前所在位置信息发送给消防小车，使消防小车移动至相应位置，同时消防无人机通过机载感知模块判断出火源位置，并对火源位置进行空中喷水灭火操作；
34.消防小车通过车载感知模块判断出火源位置，并对火源位置进行地面喷水灭火操作。
35.与现有技术相比，本发明通过设置消防小车和消防无人机，并利用补给站对消防小车进行电能、燃油和水的补给，利用消防小车对消防无人机进行电能和水的补给，由此实现消防小车和消防无人机相互配合，共同实现协作巡查、火灾预防以及火灾初期灭火的操作。
36.本发明在消防小车上设置集水器，使得巡查过程中能够同步实现水的收集与存储，从而实时补充消防小车上车载水箱内的水量，有利于火灾预防以及初期灭火操作。
37.本发明在消防小车上设置太阳能光伏板，以保证消防小车上蓄电池的能量供给，进一步提高整个系统的工作稳定性。
附图说明
38.图1为本发明的结构示意图；
39.图2为本发明的结构左视图；
40.图3为本发明的结构俯视图；
41.图4为本发明中集水器的布置示意图；
42.图5为本发明中冷凝水存储过程示意图；
43.图6为本发明的能源供给原理示意图；
44.图7为本发明的水供给原理示意图；
45.图8为本发明的集水器结构示意图；
46.图9为本发明的工作过程示意图；
47.图10为消防小车的补给过程示意图；
48.图11为消防无人机的补给过程示意图；
49.图12为消防无人机的巡查过程示意图；
50.图13为消防无人机和消防小车的协作灭火过程示意图；
51.图中标记说明：1、车载感知模块，2、车载灭火喷头，3、集水器，4、机载灭火喷头，5、无人机水箱，6、机载感知模块，7、机载gps，8、补给车箱，9、太阳能光伏板，10、冷凝风扇，11、冷凝片，12、集气风扇，13、软管，14、车载水箱。
具体实施方式
52.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
53.实施例
54.如图1～图8所示，一种异构无人消防系统，包括补给站、消防小车和消防无人机三个部分。其中，补给站为消防小车提供充电、加油、加水等服务。
55.消防小车包括车载感知模块1、车载储水模块、车载储能模块、车载通信模块、车载驱动模块、车载灭火模块和无人机补给模块：
56.车载感知模块1包括摄像头和红外热像仪，其中摄像头和红外热像仪相互配合，实现对烟雾和着火区域的识别，以便于灭火模块的灭火任务；
57.车载储水模块包括车载水箱14、集水器3和补水接口，集水器3由车载储能模块供电，驱使其内部的冷凝片11发挥作用，配合冷凝风扇10和冷凝片后面的集气风扇12，实现对空气中水分的冷凝收集，收集的水会通过软管13流入到车载水箱14当中，实现对无人机水箱15的补水；当车载水箱14中的水位达到警戒线，这时会直接通知消防小车返回补给站进行补水；
58.车载储能模块包括蓄电池、太阳能光伏板9、油箱，其中，蓄电池和油箱为车载驱动模块中的油电混合系统提供动力来源，太阳能光伏板9会为蓄电池提供充电服务，同样的，当蓄电池低于一定阈值，会直接通知消防小车返回补给站进行充电，蓄电池会为替换下来的无人机可替换电池进行充电，方便无人机电量不足时，可以直接以更换电池的方式实现电量补给；
59.车载通信模块包括车载gps和车载无线通信子模块，车载gps用于提供消防小车的位置信息，车载无线通讯子模块用于消防小车和消防无人机之间的信息通信，信息通信内容包括但不限于消防小车的储水状态，储能状态，地理位置等信息，同时还可以接收消防无人机的火灾信号，以便于消防无人机在发现火情的第一时间，消防小车就可以到达消防无人机附近，为消防无人机提供资源补给以及地面协助灭火；
60.车载驱动模块使用了油电混合动力系统，同时使用车载储能模块中的蓄电池和油箱作为驱动的能量来源；
61.车载灭火模块包括车载灭火喷头2、软管和水泵，水泵会通利用软管从车载水箱14中抽取水至车载灭火喷头2处，车载灭火喷头2会结合摄像头和红外热像仪判断火源位置，从地面执行灭火作业；
62.无人机补给模块包括补给车箱8、无人机电池替换子模块、无人机水箱补水子模块，当消防无人机需要补给的时候，消防无人机首先会通过机载通信模块以及车载通信模块与消防小车取得联络，然后确定小车的位置，与小车汇合；当消防无人机悬停在消防小车补给车箱上时，会给消防小车发出信号，消防小车接收到信号以后会打开补给车箱8的滑盖，允许消防无人机进入消防小车的补给车箱8内进行资源补给，同时消防无人机会向消防小车通过机载通信模块以及车载通信模块告知电量不足或水量不足，如果是由于电量不足原因的导致消防无人机返回消防小车，补给车箱8会使用消防小车的无人机电池替换子模块更换消防无人机的电池；如果是由于水量不足的原因导致消防无人机返回消防小车，补给车箱8会使用消防小车的无人机水箱补水子模块为消防无人机的水箱进行水源补充。
63.消防无人机包括机载感知模块、机载储水模块、机载储能模块、机载通信模块、机载驱动模块和机载灭火模块：
64.机载感知模块6包括摄像头和红外热像仪，其中摄像头和红外热像仪相互配合，实现对烟雾和着火区域的识别，向消防小车发出警报，双方协作完成对火灾区域进行提前的消灭，红外热像仪主要实现对高温区域的检测，由无人机利用机载灭火模块的机载灭火喷头4，将无人机水箱5中的水以水雾的形式喷洒到高温区域，实现物理降温，预防火灾的发
生。
65.机载储水模块包括无人机水箱5、水箱补水接口，当无人机水箱5中的水量低于一定阈值时，消防无人机会通过机载通信模块和车载通信模块向消防小车发出信息，并前往无人消防小车进行补水；
66.机载储能模块主要指消防无人机上的可替换电池，当消防无人机的可替换电池电量低于一定阈值时，消防无人机会通过机载通信模块和车载通信模块向消防小车发出信息，并前往无人消防小车更换电池；
67.机载通信模块包括机载gps7和机载无线通信子模块，机载gps7用于提供消防无人机的位置信息，机载无线通信子模块用于消防无人机和消防小车之间的信息通信，信息通信内容包括但不限于消防无人机的储水状态，储能状态，地理位置等信息，同时还可以想消防小车发送火灾信号，以便于消防无人机在发现火情的第一时间，消防小车就可以到达消防无人机附近，为消防无人机提供资源补给以及地面协助灭火；
68.机载驱动模块从机载储能模块中获取能量，以驱动消防无人机的进行定点巡查和灭火等作业；
69.机载灭火模块包括机载灭火喷头4、软管、水泵，水泵会通利用软管从无人机水箱5中抽取水至机载灭火喷头4处，机载灭火喷头4会结合摄像头和红外热像仪判断火源位置或高温区域，从空中执行灭火作业。
70.将上述异构无人消防系统应用于实际，消防小车从补给站补充完资源过后，会释放消防无人机。消防无人机会执行定点巡查功能，对周边区域进行巡检。消防小车在配合无人机巡检的过程中，会利用集水器和太阳能光伏板实现水和电的自供给，形成一个相对闭环的系统。同时消防小车在执行作业过程中，一旦发现小车的水量、电量或者油量低于阈值，会立即返回补给站对消防小车资源进行补充。
71.当消防无人机电量不足、水量不足时，会使用通信模块和消防小车取得联系，并进入消防小车的补给车箱内进行资源的补给。当消防无人机发现烟雾或火焰等火灾区域时，会向消防控制中心发出警报，通知消防人员。消防无人机也会使用通信模块立刻通知消防小车到达火灾附近，既减少消防无人机在补给路途上花费的时间，又使得无人机和消防小车协作配合，进行立体式灭火作业。而当无人机发现高温区域时，会利用灭火喷头以水雾的形式，对高温区域进行物理降温，同时向消防控制中心发出警报，通知消防人员。
72.本实施例中，补给站设置在露天仓库的合理位置，异构无人消防系统的工作流程如图9所示：无人消防系统启动，首先检查消防小车的情况，如果需要补给，此处指的是电量不足、水量不足或油量不足的情况，由补给站为消防小车提供资源的补给。
73.具体的消防小车补给流程如图10所示：
74.消防小车会分别对自己的电量、油量、储水量进行判断，如果其中任意一种资源不足，则返回补给站进行资源的补给。如果此时不需要补给，则消防小车会释放消防无人机，无人机开始执行定点巡查作业。消防小车会配合消防无人机进行巡查作业和灭火作业。同时，消防小车在配合消防无人机进行巡检的过程中会利用集水器从空气中收集水分，太阳能板会将太阳能转换为电能储存在消防小车的储能模块。
75.消防无人机在巡检或灭火的过程中，必然会出现需要进行补给的情况，具体来看，如图11所示：
76.消防无人机执行作业过程中会定时检查自身的电量情况和储水情况，一旦其中某个低于阈值，就立即通过通信模块与消防小车取得联系，进入消防无人小车的补给车箱内，对相应的资源进行补给，待消防无人机补给完成后，消防小车释放消防无人机，消防无人机将会从之前作业的中断点继续执行作业。
77.消防无人机在执行定点位置巡查的过程中，一般会有三种情况，具体来看，如图12所示：
78.①
无异常情况，此时消防无人机会定时检查自身的电量和水量情况，如果需要进行资源补给就进入消防小车车箱内补给。
79.②
发现高温区域时，此时消防无人机会利用灭火喷头以水雾的形式，对高温区域进行物理降温，同时使用通信模块向消防控制中心发出警报，通知消防人员。消防无人机对高温区域进行物理降温过程中，当发现自身水量或电量不足时会进入消防小车进行补给，待补给完成后，返回作业中断点，即高温区域，判断高温区域是否完全降温。如果未完全降温，则继续执行降温作业——利用灭火喷头以水雾的形式，对高温区域进行物理降温；否则，继续执行定点巡查作业。
80.③
发现烟雾或火焰等火灾区域，消防无人机会向消防控制中心发出警报，通知消防人员。同时，消防无人机会使用通信模块立即通知消防小车靠近火灾附近，既减少消防无人机在补给路途上花费的时间，又使得消防无人机和消防小车协作配合，进行立体式灭火作业。
81.具体来看，消防无人机和消防小车协作灭火的过程，如图13所示：
82.消防无人机发现火焰或烟雾，通知消防小车到达火灾现场。消防小车利用感知模块判断火源位置，在地面使用灭火喷头进行灭火，期间消防小车如果电量、水量、油量不足，则会立即返回补给站补给，待补给完成后立即返回火灾现场继续执行灭火作业，直到火情得到控制，消防小车继续配合消防无人机执行巡查作业。消防无人机利用感知模块判断火源位置，在控制使用灭火喷头进行灭火，期间消防无人机如果电量、水量不足，则会立即进入消防小车进行补给，直到火情得到控制，消防无人机继续执行定点巡查作业。
83.执行上述流程，便形成了一套完备的自供给的火灾防范体系，能够通过对周围环境的巡查，实现在火灾出现前的预防和火灾出现初期的提前消灭。
84.综上可知，本技术方案提供了一种补给闭环式、定时巡查、火灾预防、火情发现当场消灭的无人异构消防系统，无人机可利用机身搭载的摄像头和红外热像仪实现对高温区域的提前检测，并利用机身搭载的水箱以水雾的形式实现提前降温；实现对火焰和烟雾的识别，并利用机身搭载的水箱提前将火焰消灭在萌发初期，同时为加快火情控制，无人机会利用gps和通信模块向消防小车发送警报，小车收到警报后会靠近着火区域，并在地面和无人机协作灭火，并提供补给。
85.异构无人消防系统电源的获取来源广泛，可利用系统自身的太阳能自充电，实现基础功能的电源供给；也可以通过补给站对电池充电，保证无人消防系统的稳定性；异构无人消防系统水源的获取来源广泛，可利用自动集水装置，实现巡查过程中的少量水储存，应用于火情初期或预防；其中消防小车也可以返回补给站，通过水箱补水接口实现快速补水；消防无人机和消防无人车相互配合，实现协作巡查、火灾预防以及火灾初期的早发现、早扑灭。