一种用于高层建筑灭火的系留无人机系统及其灭火系统的制作方法

1.本实用新型属于消防灭火技术领域，尤其涉及一种用于高层建筑灭火的系留无人机系统及其灭火系统。


背景技术：

2.威胁高层建筑安全的一大问题就是火灾，由于高层建筑的特性，导致一旦发生火灾就会引起无法挽回的后果，目前，我国城市住宅火灾伤亡惨重的根本原因是火灾消防灭火面临巨大的难题和挑战。一方面，全国拥有8层以上、超过24米的高层建筑34.7万幢，百米以上超高层6000多幢，数量均居世界第一。现有消防设备对于高层建筑的灭火手段仍然采用传统的高压水枪、云梯车或传统无人机，多数消防用举高车以及消防水枪喷射最多只能达到50米高。消防员如果负重爬楼超过20层，体力消耗无法有效开展救援行动。高层建筑一旦发生火灾，除了利用内部消防设施外，没有更有效手段灭火，传统消防手段存在如下技术缺陷：（1）楼层较高，攀登困难；（2）疏散途径少，疏散难度大；（3）灭火救援装备制约大，部分地区现有的消防车辆装备很难满足高层建筑灭火救援任务的需要，云梯消防车等特殊消防车辆也只能接近相应高度的火灾区域进行灭火；（4）缺少登高设备。
3.为此，急需找到一种可以快速登高且部署灵活、操作便捷的手段，可有效解决上述痛点，以应对高层建筑的火灾扑救。进一步，选择尺寸和成本较之有人驾驶飞行器都较小且可空中悬停、能快速部署的多旋翼无人机进行高层建筑灭火自然而然就成了一个很好的方式。系留无人机的出现，则使普通电动或油动多旋翼灭火无人机续航时间有限的问题从根本上得到了有效解决。系留无人机是由一种通过光电复合线缆连接地面供电系统来获取不间断能源的系留式多旋翼无人机设备。然而，现有技术中系留机器人在消防灭火领域的应用技术方案，仍然存在如下典型的技术缺陷：
4.缺少灭火作业状态下保持飞行平衡的技术手段，影响精确、持续的开展灭火作业；比如大量喷射灭火剂对空中作业子系统带来的后座力的处理没有等；采用灭火罐 “喷枪”实施灭火，由于缺少必要的调控手段，喷枪喷出的灭火剂难以精确对准火点或通过快速调整系统对准火点；无人机搬运到车顶费时费力，缺少辅助手段。
5.综上所述，需要提供更为有效的高层建筑的灭火系统和方法应对现有技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种高层建筑的灭火系统，用于解决目前高层建筑消防灭火困难的技术问题，基于系留无人机实现不间断灭火整套装备，系留无人机系统通过供电和信号线缆连接空中的系留无人机和地面保障设备，持续给无人机供电，从而提高无人机的续航；不间断系留无人机灭火整套装备通过地面保障系统和空中输送系统，不间断向空中的系留无人机提供电力、灭火剂、控制信号，能够快速登高、部署灵活、操作便捷、长时间高空悬停、不间断灭火作业；系留无人机能够实现长时间不间断的空中悬停，操作简单，
可一键自动起降和自主悬停，并能够使得喷枪喷出的灭火剂可以精确对准火点或通过快速调整系统对准火点；无人机搬运到车顶的辅助手段更加便捷。
7.本实用新型一方面提供了一种用于高层建筑灭火的系留无人机系统，包括：
8.系留无人机、喷射系统和监控系统；所述喷射系统和监控系统均安装于所述系留无人机上；所述系留无人机通过系留线缆与地面连接；所述喷射系统包括喷管，所述喷管为伸缩喷管；其中，
9.所述系留无人机上设置悬停稳定机构，所述悬停稳定机构用于使得运行中的所述系留无人机在空中稳定悬停；所述悬停稳定机构包括设置在所述喷管反方向上的反向电机和反向螺旋桨，所述反向电机与所述喷管连接，所述反向电机受控使得所述喷管的旋转；其中所述反向电机的转速与所述喷管的出口压力成正比例关系，进而使得所述喷管的后座力与所述反向螺旋桨的推进力相等，以抵消所述喷管喷出灭火剂时的后座力。
10.优选的，所述喷射系统还包括转向机构，所述喷管一端通过消防软管与地面的泡沫输转系统相连，所述喷管的另一端与所述转向机构连接；其中，
11.所述转向机构包括上部和下部，所述上部和下部均为圆柱形，且上部的圆柱表面半径大于下部的圆柱表面半径，所述上部的上表面为带有多个通孔的支撑盘，通过所述支撑盘与所述喷管螺纹连接，所述下部从所述上部的中心向外突起形成旋转轴状，用于连接转向电机，所述转向电机用于驱动所述转向机构转动后带动所述喷管能够沿着左右两个方向微调，调整的角度为-5
°
~ 5
°
。
12.优选的，所述系留无人机上设置起落架，所述转向机构安装在所述起落架上。
13.优选的，所述伸缩喷管包括管体部和喷嘴部，所述管体部为折叠式变径枪管，所述喷嘴部与所述管体部可拆卸连接，用于根据不同的火场情况更换多种不同规格和型号的喷嘴。
14.优选的，所述系留线缆包括：为所述系留无人机系统供油或电的能源电缆、所述系留无人机与地面通信的通信线缆以及为所述系留无人机提供灭火剂的消防软管。
15.优选的，所述监控系统包括高清摄像头、热成像模块和定位模块中的一种或多种，用于监控所述系留无人机的定位以及系留无人机的周围物体、火灾现场影像以及现场环境温度，并通过图传的方式传回到地面。
16.优选的，所述喷射系统上设置液位传感器、流量传感器、压力传感器和温度传感器，用于通过对液位、流量、进口压力、出口压力和温度的实时监控，获取所述系留无人机和所述喷射系统的实时状态。
17.本实用新型的第二方面还提供一种高层建筑灭火系统，包括如上所述的系留无人机系统，还包括设置在所述地面的车载作业平台，所述系留无人机与所述载作业平台通过所述系留线缆连接；所述车载作业平台包括消防车辆、压缩空气泡沫系统、泡沫输转系统、管线收放系统、动力电源和灭火剂存储单元，所述压缩空气泡沫系统、泡沫输转系统、管线收放系统、动力电源和灭火剂存储单元均安装于所述消防车辆上，所述消防车辆内设置线缆收放箱和水带收放箱；其中，所述压缩空气泡沫系统用于将水、泡沫和空气充分混合以产生压缩空气泡沫；所述泡沫输转系统用于连接所述压缩空气泡沫系统和所述喷射系统；所述管线收放系统用于对所述系留线缆进行收放作业；所述动力电源通过系留线缆与所述系留无人机相连后向所述系留无人机提供动力；所述灭火剂存储单元包括水罐和泡沫罐，所
述灭火剂存储单元用于供所述压缩空气泡沫系统持续不断提供灭火剂从而实现所述灭火系统的不间断灭火；其中所述水罐和泡沫罐的罐体外侧分别设置水进液口和泡沫进液口；所述动力电源包括柴油发动机和/或发电机，所述发电机与所述系留线缆相连；所述柴油发动机与所述系留线缆相连或安装在所述系留无人机上。
18.优选的，所述车载作业平台的尾部设置升降尾板，作为消防灭火任务结束后，将系留无人机搬运到消防车辆的车顶的辅助手段，所述升降尾板包括可自动控制升降的滑轨和托板，所述滑轨设置在车厢后侧两个纵向立柱上，所述托板的一边与所述两条滑轨内的凹槽活动链接；与所述托板的一边垂直的一侧形成可翻折结构，并与所述车厢后侧底边通过枢轴连接。
19.优选的，所述车载作业平台上配置ups系统和ats自动转换开关，用于发电机在出现异常的情况下，通过所述ats自动转换开关直接切换到ups系统对所述系留无人机进行供电。
20.本实用新型提供的用于高层建筑灭火的系留无人机系统及其灭火系统，具有如下有益的技术效果：
21.（1）本实用新型的高层建筑灭火系统，由传统的由小型无人机带罐体升空的短时间灭火方式，改为由系留无人机带电缆和软管升空的不间断持续灭火方式，具有长时间悬停空中、持续不间断、精准灭火的特点。
22.（2）本实用新型的高层建筑灭火系统，将传统的喷枪和接头改成了喷射系统，可以调节灭火剂的流量，喷射系统中，喷管采用可收缩的形式，节省空间，还可以让系留无人机升到着火点附近后开始喷射灭火剂，节约能源，保护环境，减少污染。
23.（3）本实用新型的高层建筑灭火系统，罐体外部设有水罐和泡沫罐的进液口，在额定流量200l/min下，可以通过外接管路，达到不间断连续作业。
24.（4）本实用新型的高层建筑灭火系统和方法，通过液位、流量、进口压力、出口压力、温度等传感器，可以实时监控无人机和喷射系统的状态，在喷管的反方向上加装一个小的电机和螺旋桨，通过程序控制，使得电机转速与出口压力成正比例关系，使喷管的后座力与螺旋桨的推进力相等，从而保证了无人机在空中稳定悬停、精准喷射状态，达到更加精准的喷射效果。
25.（5）本实用新型的高层建筑灭火系统，在车内配置200kvaups系统和ats自动转换开关，可以让发电机在出现异常的情况下，直接切换到ups供电，ups在满电的情况下可以支撑120kw无人机正常工作半个小时以上，极大的增加了安全系数。
26.（6）本实用新型的高层建筑灭火系统，在车内装备线缆收放箱，通过程序控制，在放线档位时，当拉力小于20n时，不收放，当拉力大于20n，按照3档（低、中、高）速度进行自动放线；在收线档位时，当拉力小于20n时，自动收线；当拉力大于20n时，不收放。节省人工收放线缆时间。
27.（7）本实用新型的高层建筑灭火系统，在车内装备水带收放箱，可以对水带进行择叠收卷，排除空气，方便取放，节省人力。
28.（8）本实用新型的高层建筑灭火系统，采用折叠式变径枪管和多种喷嘴。喷管在不用时可以折叠，节省空间；喷嘴可以根据不同的火场情况，如：油罐火灾、建筑火灾、化工火灾等，选用不同的喷嘴。
29.（9）本实用新型的高层建筑灭火系统和方法，在无人机起落架上安装转向机构，与电机和喷射系统连接，通过plc程序控制，可以使喷管左右2个方向调节，调节角度-5
°
到5
°
，达到不用移动无人机就可以实现的小范围精准喷射调节。
附图说明
30.图1为根据本实用新型优选实施例示出的系留无人机平台结构示意图；
31.图2为根据本实用新型优选实施例示出的车载作业平台结构示意图；
32.图3为根据本实用新型优选实施例示出的系留无人机平台回收到车载作业平台内部的结构图；
33.图4为根据本实用新型优选实施例的转向机构结构示意图；
34.图5为根据本实用新型提供的对所述转向电机进行控制的结构原理图。
35.附图标记说明：
36.1、系留无人机平台；
37.101、系留无人机；
38.102、喷射系统；1021、伸缩喷管；1022、转向电机；1023、反向电机；1024，反向螺旋桨；
39.103、监控系统；1031、高清摄像头；1032、热成像模块；1033、定位模块；
40.2、车载作业平台；
41.201、消防车辆；
42.202、压缩空气泡沫系统；
43.203、泡沫输转系统；
44.204、管线收放系统；2041、系留线缆；
45.205、动力电源；2051、柴油发动机；2052、发电机；
46.206、灭火剂存储单元；
47.207、升降尾板。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
49.实施例一
50.参见图1-4，本实施例提供了一种高层建筑的灭火系统，包括系留无人机平台1和车载作业平台2；所述系留无人机平台1和车载作业平台2通过系留线缆2041连接。由传统的由小型无人机带罐体升空的短时间灭火方式，改为由系留无人机带电缆和软管升空的不间断持续灭火方式，具有长时间悬停空中、持续不间断、精准灭火的特点。
51.作为优选的实施方式，所述系留无人机平台1上设置悬停稳定机构，所述悬停稳定机构通过控制程序控制，使得悬停稳定机构的推进力与工作状态下的喷射系统的后座力大小相等，方向相反，从而保证了系留无人机在空中稳定悬停、精准喷射状态，达到更加精准的喷射效果。
52.本实施例中，所述系留线缆2041包括：为所述系留无人机平台供油或电的能源电
缆、系留无人机平台1与车载作业平台2通信的通信线缆以及为所述系留无人机平台提供灭火剂的消防软管。
53.如图1所示， 所述系留无人机平台1，包括系留无人机101、喷射系统102和监控系统103，所述喷射系统102和监控系统103均安装于所述系留无人机上101；所述监控系统103包括高清摄像头1031、热成像模块1032和定位模块1033中的一种或多种，用于监控火灾现场的实时情况，特别是用于监控系留无人机101的定位以及系留无人机101的周围物体、火灾现场影像以及现场环境温度，并通过图传的方式传回到车载作业平台2，便于及时做出灭火计划的调整和优化；所述喷射系统102包括伸缩喷管1021，所述伸缩喷管1021通过消防软管与泡沫输转系统203相连。本实施例为了减轻整体的管路重量，并提高输送效率，采用轻质管路使得伸缩喷管1021通过消防软管与泡沫输转系统203相连。作为优选的实施方式，所述喷射系统102还包括液位传感器、流量传感器、压力传感器和温度传感器，通过对液位、流量、进口压力、出口压力和温度的实时监控，获取系留无人机101和喷射系统102的状态。
54.将传统的喷枪和接头形式调整为喷射系统，可以调节灭火剂的流量，喷射系统中，喷管采用可收缩的形式，节省空间，还可以使得系留无人机升到着火点附近后再开始喷射灭火剂，节约能源，保护环境，减少污染。
55.作为优选的实施方式，所述伸缩喷管1021包括管体部和喷嘴部，所述管体部采用折叠式变径枪管，喷管在不用时可以折叠，节省空间；所述喷嘴部与所述管体部可拆卸连接，用于根据不同的火场情况更换多种喷嘴，其中不同的火场情况包括油罐火灾、建筑火灾或化工火灾等，选用不同的喷嘴包括细口、宽口，扁口等。
56.如图2所示，所述车载作业平台2包括消防车辆201、压缩空气泡沫系统202、泡沫输转系统203、管线收放系统204、动力电源205和灭火剂存储单元206，所述压缩空气泡沫系统202、泡沫输转系统203、管线收放系统204、动力电源205和灭火剂存储单元206均安装于所述消防车辆201上；其中，所述压缩空气泡沫系统202用于将水、泡沫和空气充分混合以产生压缩空气泡沫；所述泡沫输转系统203用于连接所述压缩空气泡沫系统202和所述喷射系统102；所述管线收放系统204用于对所述系留线缆进行收放作业；所述动力电源205通过系留线缆与所述系留无人机101相连后向所述系留无人机101提供动力；所述灭火剂存储单元206包括水罐和泡沫罐，所述灭火剂存储单元206用于所述压缩空气泡沫系统202持续不断提供灭火剂。本实施例中，在水罐和泡沫罐的罐体外侧分别设置水进液口和泡沫进液口，在额定流量200l/min下，可以通过外接管路，达到不间断连续消防作业。
57.作为优选的实施方式，所述动力电源205包括柴油发动机和/或发电机，所述发电机与所述系留线缆相连；所述柴油发动机与所述系留线缆相连或安装在所述系留无人机101上。针对大功率的系留无人机，可以采用柴油发动机作为能量来源，对于小功率的系留无人机，可以采用电能作为能量来源，对于中等功率的系留无人机，可以采用油电混动的方式作为能量来源。
58.作为优选的实施方式，参见图3，所述悬停稳定机构包括设置在所述伸缩喷管1021反方向上的反向电机1023和反向螺旋桨1024，所述反向电机1023与所述伸缩喷管1021连接，所述反向电机1023受plc程序控制转速；使得所述反向电机1023的转速与所述伸缩喷管1021的出口压力成正比例关系，从而使得所述伸缩喷管1021的后座力与所述反向螺旋桨1024的推进力相等，用于抵消伸缩喷管1021喷出灭火剂时的后座力，保持系留无人机平台1
的平稳，保证系留无人机在空中稳定悬停、精准喷射状态，达到更加精准的喷射效果。
59.具体的，采用通用精度比例的浆的情况下
60.反向螺旋桨的推进力计算公式:l=dxpxwxn2xpxφ；
61.其中，l表示反向螺旋桨的推进力，单位为公斤或克；d表示直径，单位为m或cm；p表示螺距，单位为m或cm；w表示浆宽度，单位为m或cm；n表示转速，单位为转/秒；p表示1个大气压力；φ表示经验系数，本实施例取0.25或0.00025；
62.例如:100x50的浆，最大宽度10左右，动力伞使用的，转速3000转1分，合50转/秒，计算可得:100x50x10x502x1x0.00025=31.25公斤。如果转速达到6000转/分，那么反向螺旋桨的推进力等于:100x50x10x1002x1x0.00025=125公斤。
63.伸缩喷管的后座力计算公式为f=dm*(ve) (pe-po)*ae
64.其中，f为伸缩喷管的后座力，单位为公斤或克；dm为伸缩喷管出口的气体流量m3/s或cm3/s；ve为伸缩喷管出口的气流平均速度，单位为m/s或cm/s；ae为伸缩喷管出口面积，单位为m2或cm2；pe为伸缩喷管出口截面的压力，单位为n；po为环境压力，单位为大气压的倍数。
65.作为优选的实施方式，所述系留无人机101包括起落架（图中未示出），所述起落架上安装转向机构3，参见图4，所述转向机构3包括上部31和下部32，所述上部和下部均为圆柱形，且上部的圆柱表面半径大于下部的圆柱表面半径，所述上部的上表面为带有多个通孔的支撑盘，通过所述支撑盘与所述伸缩喷管1021螺纹连接，所述下部从所述上部的中心向外突起形成旋转轴状，用于连接所述转向电机1022，从而形成所述转向电机1022与所述喷射系统102通过该转向机构连接；通过如图5结构原理图可以对所述转向电机1022进行控制，带动喷射系统102的伸缩喷管1021能够沿着左右两个方向调节，调节的角度范围为-5
°
到5
°
，从而使得无需移动系留无人机就可实现小范围精准喷射调节，从而降低控制难度和能源消耗。
66.作为优选的实施方式，所述车载作业平台的尾部设置升降尾板207，作为消防灭火任务结束后，将系留无人机搬运到消防车辆201的车顶的辅助手段，所述升降尾板207包括可自动控制升降的滑轨和托板，所述滑轨设置在车厢后侧两个纵向立柱上，所述托板的一边与所述两条滑轨内的凹槽活动链接。与所述托板的一边垂直的一侧形成可翻折结构，并与所述车厢后侧底边通过枢轴连接。
67.作为优选的实施方式，所述车载作业平台配置ups系统和ats自动转换开关，用于在发电机在出现异常的情况下，通过所述ats自动转换开关直接切换到ups系统对所述系留无人机101进行供电。本实施例中，ups为200kva,在满电的情况下可以支撑120kw无人机正常工作半个小时以上，极大的增加了安全系数。
68.作为优选的实施方式，所述消防车辆内设置线缆收放箱，在程序控制下用于系留线缆2041的收放，节省人工收放线缆时间。
69.具体地，在放线档位时，当拉力小于20n时，不收放，当拉力大于20n，按照3档低、中、高速度进行自动放线；在收线档位时，当拉力小于20n时，自动收线；当拉力大于20n时，不收放。
70.作为优选的实施方式，所述消防车辆内设置水带收放箱图中未示出，所述水带连接水罐，所述水带收放箱用于对水带进行择叠收卷，排除空气，方便取放，节省人力。
71.该高层建筑灭火系统的工作原理和灭火方法，包括：
72.s1，消防灭火前的预备控制，包括：根据不同的火场情况选择喷嘴并安装到所述喷射系统上；检查系留线缆2041的安装密封性、牢固度和安全情况；
73.s2，消防灭火过程中的控制，包括：
74.s21，启动所述系留无人机101后通过所述定位模块1033进行定位；
75.s22，所述监控系统103通过所述高清摄像头1031和所述热成像模块1032监控系留无人机101周围物体、火灾现场影像以及现场环境温度；
76.s23，所述车载作业平台2接收所述定位和所述系留无人机101周围物体、火灾现场影像以及现场环境温度，并基于所述定位和所述系留无人机101周围物体、火灾现场影像以及现场环境温度制定灭火方案，将灭火方案对应的参数发送到所述系留无人机平台1，所述参数包括所述系留无人机101的转速，所述转向电机的转速以及所述泡沫输转系统203的参数；
77.s24，实施灭火，所述灭火过程中，所述动力电源205通过所述系留线缆2041为所述系留无人机101提供动力，所述泡沫输转系统通过所述系留线缆2041将压缩空气泡沫输送到高空飞行的所述系留无人机101上；所述悬停稳定机构通过控制程序控制，使得所述系留无人机101在空中稳定悬停；所述转向机构调节所述伸缩喷管左右移动一定角度，进行小范围精准喷射。
78.尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。