一种基于无人机的高层建筑火灾救援系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于无人机的高层建筑火灾救援系统及方法，系统包括：多台无人机、地面车载平台；所述无人机包括第一无人机、第二无人机、第三无人机；全部无人机形成两级编队，分别为一级编队、二级编队；还包括救援仓，每个救援仓对应一组二级编队，所述二级编队内的无人机的下方设有吊挂装置；所述地面车载平台安装于可移动车辆上，内部还设置有无人机停放空间、所述救援仓放置空间和人员工作空间；本发明优点在于，采用任务编队形式，合理配置具备不同功能组件的无人机，提升了任务效率，适应较大强度的救援任务；通过合理化救援流程，保证了处于危险的被困人员优先救助，压缩了救援时间。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机救援设计领域，具体涉及一种基于无人机的高层建筑火灾救援系统及方法。

背景技术

高层建筑火灾救援一直是一个世界级难题，现有救援方法和系统中，有较为传统的如逃生舱、缓降器、救生滑道、楼顶缓降装置等，但上述技术需要预先在建筑物内部或周围安装相应的系统，其存在安装复杂、成本高昂、易受破坏、维护不便等因素；现阶段随着无人机性能的提高，逐渐出现了一种无人机救援的理念。该种方法依托现代成熟的无人机控制理论及方法，让单架无人机携带逃生或延续生命的必要物资进行高层火灾救援，摒弃了传统的地面救援，极大的增加了救援灭火的效率，且整体成本较低，便于展开布置及回收；同时还进一步开展了单架无人机携带被困人员返回地面的研究。

中国专利CN201910476697.2公开了一种基于无人机技术的高层建筑救援设备，其中提出一种基于单多轴飞行机构的搭载救援仓的吸附式救援设备。上述技术方案提供了一种无人机直接救援的设计，但是现有技术中，单多轴飞行机构提供的动力往往不足，因此制约了无人机救援的效率，也降低了救援的安全性。还如中国专利CN201910872636.8公开了一种高空救援无人机及中国专利CN201920159370.8公开的一种基于无人机的救援系统均提出了类似的方法和系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种无人机编队救援系统及方法，合理化布置救援任务及流程，可以有效提升救援效率，增加稳定性。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

一种基于无人机的高层建筑火灾救援系统，包括：多台无人机、地面车载平台；

所述无人机包括第一无人机、第二无人机、第三无人机；全部无人机形成两级编队，分别为一级编队、二级编队；其中，所述一级编队包括至少一架第一无人机和至少一架第二无人机；所述一级编队解散后重组为所述二级编队，所述二级编队包括至少一架第二无人机和多架第三无人机；所述第一无人机内置模块为：感知模块、通信模块、定位模块、测距模块；所述第二无人机、第三无人机内置模块为：通信模块、定位模块、测距模块；

还包括救援仓，所述救援仓为多点悬挂式结构，且上部为开放式结构；每个救援仓对应一组二级编队，所述二级编队内的无人机的下方设有吊挂装置，每个无人机的吊挂装置通过缆绳连接所述救援仓的一个悬挂位置；

所述地面车载平台的控制系统包括通信模块、运算处理模块、人机交互模块、信息存储模块；所述地面车载平台安装于可移动车辆上，内部还设置有无人机停放空间、所述救援仓放置空间和人员工作空间。

进一步，所述感知模块为智能相机、激光雷达、生命探测仪、红外热成像仪其中一种或多种组合。

进一步，所述定位模块为GPS定位模块、RTK定位模块、计算机视觉定位模块、超声波定位模块、超宽带定位模块、蓝牙定位模块、网络定位模块其中一种或多种组合。

进一步，还包括多个求救装置；所述求救装置分布于高层建筑外墙表面；一个或多个并列的窗口下方安装有一个求救装置；

所述求救装置的主体为自动伸缩杆，外部安装有柱状套筒；所述自动伸缩杆末端安装有闪光报警器；所述求救装置与建筑火灾报警系统电连；所述求救装置与室内供电电路电连；室内墙体上安装有开关，所述开关与所述求救装置电连。

更进一步，所述柱状套筒外表面安装有柔性光伏发电组件；所述柱状套筒的末端或所述闪光报警器的安装端设置有密封圈，所述自动伸缩杆收缩状态下，所述闪光报警器的安装端与所述柱状套筒的末端形成密封结构；所述柱状套筒内还安装有蓄电池，所述蓄电池与所述柔性光伏发电组件电连；所述求救装置内安装有高音喇叭；

失火建筑外侧安装有玻璃幕墙，所述求救装置侧向还安装有自动破窗器，所述自动破窗器工作端与玻璃幕墙接触；所述自动伸缩杆端部还安装有红外线发射器。

进一步，所述第一无人机安装有至少一个折叠机臂，且折叠方向为竖直方向；所述折叠机臂根部与所述第一无人机的机体铰接，且铰接处安装有舵机和定位机构。

更进一步，所述第一无人机上部的中心处竖直安装有一根撑杆，所述撑杆末端设置有承托结构。

另一方面，本发明根据上述高层建筑火灾救援系统提供了一种救援方法，具体步骤如下：

S1、一级编队的无人机围绕失火建筑进行飞行侦查，获得评估参数及信息，并回传至所述地面车载平台；

其中，所述参数包括环境风速及风向，建筑物三维尺寸，障碍物的位置及大小；所述信息包括被困人员体征及分布情况；

S2、所述底面车载平台根据所述S1中获得的信息及参数通过自动或手动的方式生成救助计划，并控制所述无人机形成二级编队，后向每个二级编队分发救援任务；

S3、每个所述二级编队保持空中队形，并携带救援仓根据任务信息飞往失火建筑的救援位置；

S4、每个所述二级编队到达指定救援位置后，引导被困人员有序进入救援仓；

S5、每个所述二级编队完成单次救援任务后，继续保持空中队形飞向地面指定救援点；

S6、待被困人员安全撤离救援仓后，所述S5中的二级编队继续执行后续救援任务，重复所述S3-S5，直至全部救援任务完成。

进一步，所述高层建筑火灾救援系统还包括多个求救装置；所述求救装置分布于高层建筑外墙表面；一个或多个并列的窗口下方安装有一个求救装置；

被困人员在火灾初期及救援过程中通过触发所述求救装置，向外界展示受困位置。

进一步，所述第一无人机安装有至少一个折叠机臂，且折叠方向为竖直方向；所述折叠机臂根部与所述第一无人机的机体铰接，且铰接处安装有舵机和定位机构；

当失火建筑外侧围绕浓烟时，所述第一无人机将折叠机臂放下，在浓烟外侧由多架第一无人机组成空间阵列结构，阵列结构为曲面阵列、环形阵列、锥面阵列、线性阵列其中一种，并通过折叠机臂对应的桨叶旋转，将外侧空气送入待侦查或待救援的区域，吹散遮挡的浓烟；

所述第一无人机上部的中心处竖直安装有一根撑杆，所述撑杆末端设置有承托结构；

当二级编队中无人机故障或救援仓承载超重时，所述第一无人机临时飞行至所述救援仓下方，并根据所述二级编队中无人机飞行功率核算出承托位置，后与所述二级编队飞行至地面；在所述二级编队到达距离地面指定高度时，所述第一无人机撤离所述救援仓下方，完成临时支援任务。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用任务编队形式，合理配置具备不同功能组件的无人机，使负责承载的无人机结构简化，主要提升承载及续航能力，并合理搭配具备多种探测及检测功能的无人机完成前期侦查及规划，提升了任务效率，适应较大强度的救援任务；进一步，结合建筑外侧配置的求救装置，可以在复杂环境(浓烟围绕)下辅助显示人员位置，增加救援效率，提升被困人员存活能力；更进一步，结合无人机机臂折叠设计，可以在侦查阶段及救援阶段吹散浓烟，有效解决了高层建筑失火时产生的浓烟问题；还可结合设计的应急承托结果，完成应急任务，保障了安全性。

2、本发明通过合理化救援流程，保证了处于危险的被困人员优先救助，压缩了救援时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一个或几个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图中体现的相同结构分布位置及分布数量仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、分布数量，因此不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明系统图；

图2为本发明方法步骤图；

图3为本发明具体实施例中求救装置；

图4为本发明具体实施例中第一无人机结构简图；

图5为本发明具体实施例中第一无人机阵列示意图。

图中：

1-第一无人机；2-求救装置；101-机体；102-折叠机臂；103-涵道；104-撑杆；105-承托结构；201-自动伸缩杆；202-柱状套筒；203-柔性光伏发电组件；204-闪光报警器；205-橡胶密封圈；206-红外线发射器；207-自动破窗器；208-高音喇叭。

具体实施方式

下面结合具体附图1-5对本发明具体实施例进行说明。

一种基于无人机的高层建筑火灾救援系统，如图1所示，包括：多台无人机、地面车载平台；

无人机采用多旋翼无人机，具体包括第一无人机1、第二无人机、第三无人机；全部无人机形成两级编队，分别为一级编队、二级编队；其中，一级编队包括至少一架第一无人机1作为一级编队的长机，和至少一架第二无人机作为僚机。在一级编队完成任务后，进行解散重组形成二级编队；其中，二级编队包括至少一架第二无人机作为二级编队的长机，和多架第三无人机作为僚机。

第一无人机1内置模块为：感知模块、通信模块、定位模块、测距模块；优选地，感知模块为智能相机、激光雷达、生命探测仪、红外热成像仪多种组合。目的是对高层建筑作整体评估，包括建筑物的形状和结构、火势的分布和大小、被困人员的位置和数量等，从而方便任务规划。

第二无人机、第三无人机内置模块为：通信模块、定位模块、测距模块；

优选地，定位模块为GPS定位模块、RTK定位模块、计算机视觉定位模块、超声波定位模块、超宽带定位模块、蓝牙定位模块、网络定位模块其中一种或多种组合。通信模块的通信方式包括但不限于WIFI、蓝牙、数传、Zigbee、GPRS、3G、4G、电台、超宽带等。

系统还包括救援仓，救援仓为多点悬挂式结构，且上部为开放式结构；每个救援仓对应一组二级编队，二级编队内的无人机的下方设有吊挂装置，每个无人机的吊挂装置通过缆绳连接救援仓的一个悬挂位置；二级编队的长机(第二无人机)根据救援仓的结构、形状和大小等特点确定编队队形，与第二级编队的僚机(第三无人机)进行编队，并保持空中队形(即编队中各无人机相对位置固定)。

地面车载平台的控制系统包括通信模块、运算处理模块、人机交互模块、信息存储模块；地面车载平台安装于可移动车辆上，内部还设置有无人机停放空间、救援仓放置空间和人员工作空间。以便单台救援车辆出动可最大程度独立完成救援任务，同时，必要情况下也可多台救援车辆出动，并迅速组成网络，协同完成救援任务。

本发明另一个实施例中，在前述设计基础上，如图4所示，第一无人机1为6轴涵道式无人机，安装有两个折叠机臂102，并相对设置，且折叠方向均为竖直方向；折叠机臂102根部与第一无人机1的机体101铰接，且铰接处安装有舵机和定位机构。优选地，两个折叠机臂102的末端对应设有涵道103，桨叶位于涵道中。具体工作中，如需吹散外部浓烟，两折叠机臂根部的定位机构打开，折叠机臂102在大扭矩电动舵机的带动下向下翻转，到位后定位装置再次进行定位，完成固定。这样第一无人机1下方相当于悬挂了两组风扇，形成“背靠背”式的串联设计。控制其中一个正转，另一个反转，使其相对无人机向前或向后送风，并调节无人机姿态，形成空中平衡状态。

优选地，第一无人机1上部的中心处竖直安装有一根撑杆104，撑杆104末端设置有承托结构105。

本发明另一个实施例中，在前述设计基础上，救援系统还包括多个求救装置；求救装置预先安装于高层建筑的外墙表面；一个或多个并列的窗口下方安装有一个求救装置，即连通的独立室内结构中，可能对应设有多个窗口，安装中则挑选其中一个窗口，并在外侧对应安装一个求救装置，避免重复设置。

如图3所示，求救装置2的主体为自动伸缩杆201，可选择电动推杆，并在外部安装有柱状套筒202。自动伸缩杆201末端安装有闪光报警器204。室内墙体上安装有开关(图中未显示)，开关与求救装置2电连，且求救装置2均与建筑火灾报警系统电连，防止未失火时人员误触发。求救装置2与室内供电电路电连，通过室内电路供电；优选地，为了减少能源消耗，也防止火灾导致断电失效，在柱状套筒202外表面覆盖安装有柔性光伏发电组件203，并在柱状套筒202内还安装有蓄电池(图中未显示)，蓄电池与柔性光伏发电组件203电连。进一步，柱状套筒202的末端加工有环状凹槽，并在凹槽内部安装有橡胶密封圈205，这样在自动伸缩杆201收缩状态下，闪光报警器204的安装端与柱状套筒202的末端可形成密封结构，以保护内部电路及蓄电池，防止受潮失效。为了增加求救成功概率，求救装置2内安装有高音喇叭208，通过发出高音告警声吸引救援人员注意，并在自动伸缩杆201端部还安装有红外线发射器206，可以发生红外信号，也便于无人机侦查到求救位置。

优选地，针对部分高层建筑外侧安装有玻璃幕墙的情况，求救装置2为了更好的向外伸展求救，其侧向还安装有自动破窗器207，自动破窗器207工作端与玻璃幕墙接触。

另一方面，根据上述实施例提供一种对应的救援控制方法，结合图2所示，具体步骤如下：

S1、一级编队的无人机围绕失火建筑进行飞行侦查，获得评估参数及信息，并回传至地面车载平台；

其中，一级编队的无人机通过携带的模块侦查失火建筑外部空间及内部空间，获得的参数包括环境风速及风向，建筑物三维尺寸，障碍物的位置及大小；信息包括被困人员体征及分布情况；

整体侦察任务实施过程中，主要由第一无人机1(一级编队长机)完成对建筑物内被困人员进行探测，并检测建筑物三维信息及障碍物信息，第二无人机(一级编队僚机)起到辅助检测外部障碍物的作用。

S2、底面车载平台根据S1中获得的信息及参数，生成失火建筑三维情况图，并对应标注出被困人员数量和位置，障碍物位置和大小，并结合色彩显示环境温度，各楼层温度，人员生命体征等信息，一并通过人机交互模块(显示器)反馈给指挥人员，并可通过软件自动生成救助计划，由指挥人员在软件中手动调整，其中救助计划生成中的约束规则参照如下方法：

1、被困人员位置及同一位置被困人员数量

根据感知模块分析得出。同一楼层或同一房间或同一窗口或同一出口均可视为同一位置。

2、被困人员救助优先级

(1)根据感知模块分析得出。如：根据红外热成像结果，所处位置热量越高的人员救助优先级越高；根据生命探测仪结果，生命体征越弱的人员救助优先级越高。

(2)根据高层建筑火灾的特点，所处位置楼层越高的人员救助优先级越高。

综合单人救助优先级采用以上各项加权累计的方式。

3、救援编队额定载人数量

(1)首先根据单台无人机最大载重、救援编队无人机数和救援仓重量计算得出救援编队最大载人重量，即：

二级编队最大载人重量＝单台无人机最大载重×二级编队无人机数量-救援仓重量

(2)然后根据救援编队最大载人重量和普通成人重量、救援仓底面积和普通成人站立面积计算得出救援编队最大载人数量，即：

二级编队最大载人数量＝MIN(二级编队最大载人重量/普通成人体重，救援仓底面积/普通成人站立面积)

其中MIN为取小函数。为安全起见，取最大载人数量的70％作为额定载人重量:

二级编队额定载人数量＝0.7×二级编队最大载人数量

以上步骤中，涉及人数概念均作取整处理。

4、火势是否允许救援编队通过

根据感知模块分析得出。如：红外热成像结果显示的某处温度超过无人机及无人机安装的模块和设备的材质、工作温度承受范围，则不允许救援编队从此处通过。

5、建筑物周围障碍物

根据感知模块、测距模块等分析得出。如：计算机视觉结果显示某处存在影响救援编队飞行的障碍物，则不允许救援编队从此处通过。

6、救援编队接近方向

救援仓无绳索等障碍物的任意面可作为接近方向。

结合以上约束规则，并按照以下逻辑制定二级编队出动数量、飞行路线、任务顺序，具体为：

S21、根据同一位置被困人员数量、被困人员救助优先等级和二级编队额定载人数量分配任务：

(1)在二级编队足够的条件下：采取同时救援的策略，一次性派出预估能乘坐所有待救人员的二级编队，争取最快速度营救出所有被困人员。

(2)在二级编队不足的条件下：采取优先救援优先等级高的被困人员的策略，确保待救人员免受伤害或得到及时治疗。

(3)同一位置需要的二级编队同时派出，避免待救人员发生争抢而导致不必要的伤害。

S22、根据救援点位置、火势是否允许二级编队通过、建筑物周围障碍物和救援编队接近方向规划路径：

(1)采取最短路径规划方案，争取最快到达救援点。

(2)按上述救援编队接近方向尽可能接近救援点，确保被困人员能安全进入救援仓和二级编队飞行安全。

计划确定后，系统控制无人机形成二级编队，后向每个二级编队分发救援任务；

S3、每个二级编队保持空中队形，使其俯视形成多边形，每个无人机对应一个救援仓的悬挂点，并连接。整体携带救援仓根据任务信息，沿规划路径飞往失火建筑的救援位置；

期间，二级编队以“leader-follower”法(即长机作为leader(领航者)跟踪预定飞行路径，僚机作为follower(跟随者)和长机保持一定构型，并速度达到一致)保持空中队形。“leader-follower”法控制简单，编队保持能力强，可确保救援编队和救援仓的安全性和稳定性。

S4、每个二级编队到达指定救援位置后，引导被困人员有序进入救援仓；如果受火势或障碍物限制，二级编队无法到达救援位置，则放弃该救援位置并引导被困人员转移至最近的可以实施救援的救援位置，同时分配到该救援位置任务的救援编队重新进行任务分配和路径规划。

S5、每个二级编队完成单次救援任务后，继续保持空中队形飞向地面指定救援点；

S6、待被困人员安全撤离救援仓后，S5中的二级编队继续执行后续救援任务，重复S3-S5，直至全部救援任务完成。

优选地，高层建筑火灾救援系统还包括多个求救装置2；求救装置2分布于高层建筑外墙表面；一个或多个并列的窗口下方安装有一个求救装置2；

被困人员在火灾初期及救援过程中通过触发求救装置2，向外界展示受困位置。求救装置2工作中，首先闪光报警器204及高音喇叭208开始发出闪光和高音警告，向下方人群预警破窗工作；而后自动破窗器207启动并破坏玻璃幕墙，当完成破坏后自动伸缩杆201向前伸展，并启动红外线发射器206向外发射求救信号结合闪光及高音增加被发现概率。

优选地，在二级编队执行救援任务的同时，每个二级编队伴飞有至少一架第一无人机1；进一步，第一无人机1安装有两个折叠机臂102，且折叠方向为竖直方向；折叠机臂102根部与第一无人机1的机体铰接，且铰接处安装有舵机和定位机构；

当失火建筑外侧围绕浓烟时，第一无人机1将折叠机臂放下，在浓烟外侧由多架第一无人机1组成空间阵列结构，阵列结构为曲面阵列、环形阵列、锥面阵列、线性阵列其中一种；以线性为例，如图5所示，多个第一无人机1在空中排列成斜线，形成串联状的队列，依次将浓烟外围的空气通过折叠至下方的桨叶吹向待侦查或待救援的区域(如箭头方向所示)，以便吹散遮挡的浓烟；这种串联排布的结构，虽然不能有效增加风量，但是在外部阻抗较大的情况下可以起到较好的作用，有利于迅速将外侧浓烟吹开。

第一无人机1上部的中心处竖直安装有一根撑杆104，撑杆末端设置有承托结构105；

当二级编队中无人机故障或救援仓承载超重时，第一无人机1临时飞行至救援仓下方，并根据二级编队中无人机飞行功率核算出承托位置，后与二级编队飞行至地面；在二级编队到达距离地面指定高度时，第一无人机1撤离救援仓下方，完成临时支援任务。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。