一種庫區智能防控系統
2024-04-15 19:57:05
1.本發明涉及易燃易爆或其他危險物品庫區防控領域，尤其涉及一種庫區智能防控系統。
背景技術：
2.負責易燃易爆或其他危險物品的庫區儲存設施，大都佔地面積大、人員數量少、值勤點位少、消防措施簡單、安全管控難，且部分地處山區或邊遠地區、植被茂密，平時受技術安全管理、自然環境、人為因素的影響，時刻面臨發生火災、偷盜、燃爆、洩露等重大隱患風險，一旦發生這些事故，損失特別巨大，影響特別嚴重。目前此類庫區安防手段主要是定點監控和人員巡邏，隨著定點監控的現代化功能越來越多，在一定程度上減少了人員巡邏的壓力，但對於較大庫區，仍然存在一些問題：1）定點監控位置相對較為固定，監控會存在一定死角，監控距離的調整和採集圖像的清晰度受到一定的限制。
3.2）大部分監控僅僅停留於監視，將圖像傳輸給值班人員，很少或者基本沒有現場處置險情和可疑人員的情形，隨著監控數量的增多，值班人員的工作量也會成倍增長，犯錯誤的概率也就大大增加。
4.3）人員巡邏最顯著的一個缺點是容易出現較長空檔期，在這個空檔期內很容易出現問題並不能及時處置，尤其是區域面積較大的庫區。
5.當前我國很多軍事倉庫的共性問題是，由於人員大幅壓縮，正常的晝夜人工巡檢很難得到保證；而高效的安全防護措施更是薄弱，亟需在技術防範、智能防控上尋求突破，實現由靜態固定設置、只具備圖像攝取功能的安防系統向動態定期自動巡檢、險情發現與處置一體智能安全防控方向轉變。本課題就是針對當前倉庫這種迫切需求，適應國家智能化、無人化裝備發展趨勢，研製一種集庫區巡檢、險情監測、實時報警、高效處置等功能於一體的倉庫無人智能安全防控系統，大幅提高倉庫自主防控能力。該系統能沿固定路徑或自主規劃，實現不間斷的巡檢，能夠自動避障；能及時發現可疑人物，並根據儲存圖像進行自動識別與報警；能及時發現微弱火源，在自主判別為意外火源基礎上發送信號至監控室或進行自主滅火處理。
技術實現要素：
6.本發明是針對現有技術所存在的不足，而提供了一種設備簡單，成本低廉，具有定製規劃路線飛行巡檢功能；可快速搜索和發現倉庫內初期火情及人員、車輛等目標；具有目標自動發現、敵我識別和標識、威脅判斷功能；具備對倉庫室外初期火源的快速滅火能力的庫區智能防控系統。
7.為了實現上述目的，本發明提供了一種庫區智能防控系統，包括無人機平臺分系統、任務載荷分系統、中央控制分系統和通信分系統；所述無人機平臺分系統搭載所述任務載荷分系統構成無人機任務終端，無人機平
臺分系統包括兩架無人機，其中一架所述無人機搭載高清可見光攝像機和紅外熱像儀用於廣域巡邏偵察、火情初期預警及可疑目標快速搜索，構成巡邏無人機；另一架所述無人機搭載喊話器、拋投器、催淚彈和滅火彈載荷用於實現處置功能，包括初期火源撲滅、闖入人員驅離打擊，構成處置無人機；所述中央控制分系統包括設置於地面的區域指揮中心；所述通信分系統由設置於所述無人機、倉庫建築物和區域指揮中心的無線數傳電臺和通信光纜組成，所述倉庫建築物的無線數傳電臺為通信中繼接收器，延長所述區域指揮中心對無人機的控制範圍。
8.根據上述一種庫區智能防控系統的工作方法，包括：步驟1：在駐地區域，設置所述區域指揮中心，操控人員控制巡邏無人機起飛，按預先規劃線路進行巡航，對沿途區域快速搜索；步驟2：將所述倉庫建築物所在區域設置為作業區域，到達作業區域後，巡邏無人機自動接入該區域所述無線數傳電臺，與所述區域指揮中心進行數據與圖像傳輸時利用所述倉庫建築物和區域指揮中心之間的通信光纜；步驟3：巡邏無人機作業，採用「大範圍普查+重點位置抵近詳查」的方式，具體為，大範圍普查時，巡邏無人機沿航線在目標區域搜索，實時記錄並回傳視頻圖像；步驟4：對倉庫建築物進行巡檢時，採取「重點位置抵近詳查」的方式，巡邏無人機採取四邊形航線或定點繞飛形式，對倉庫建築物進行全方位觀察，通過光學變焦攝像機清晰分辨建築物表面較大面積損壞信息，對於局部的裂紋、破損通過旋停方式進行抵近詳細觀察；步驟5：若發現初期火情，系統可自動發出警示信息，通過掛載紅外熱像儀實時監測火勢，並發出警報，提醒操作人員儘快採取處置措施；若發現人員闖入，操作人員根據實時圖像快速判斷威脅程度，按特情等級派出無人機處置或安排人員前往處置，同時，巡邏無人機保持盤旋或旋停監視，為後續處置提供引導支持；步驟6：操控人員根據異常情況類型選擇不同作業設備，控制處置無人機飛赴特情地點，處置無人機到達目標區域後自動接入該區域無線數傳電臺，通過攝像頭實時回傳現場信息，並進行針對性處置，包括可疑人員警告、驅離，撲滅初期火情；步驟7：通過巡邏無人機獲取的大範圍圖像信息對處置結果進行評估，若未達到預期效果，則處置無人機再次出動，巡邏無人機保持監視；若達到預期效果，則處置無人機撤回、巡邏無人機按計劃繼續執行任務。
9.進一步的，所述無人機包括機架，所述機架設置有動力系統和控制系統；所述動力系統包括旋翼系統、動力裝置、能源和電氣裝置；所述控制系統包括飛控及電子設備、地面站設備和保障設備。
10.進一步的，所述旋翼系統採用六旋翼結構。
11.進一步的，所述機架採用全碳纖一體式機身結構。
12.進一步的，所述旋翼系統採用摺疊式六旋翼結構。
13.進一步的，所述機架設置有可收放式起落架。
14.進一步的，所述無人機最大載重量達到11kg，空載最大續航時間達90min，選配差分gps定位精度可達5cm。
15.無人機平臺分系統是具有搭載偵察監視、目標識別與定位、目標優先級判斷、儲存傳輸、聯動預警警示、滅火與非致命性打擊等功能的多旋翼無人機平臺。
16.任務載荷分系統採用模塊化設計，包括目標探測識別模塊和應急處置模塊，能夠對微弱火源有較強的探測與識別能力。目標探測識別模塊具備偵察、探測、識別、定位、自動跟蹤等功能。應急處置模塊具備報警、非致命打擊和消防處置等功能。消防與非致命打擊負載是模塊化配置，使用前進行掛載，中央控制臺選擇工作模式即可。綜合縮短巡飛周期、增大監視範圍與無人平臺性能平衡等方面考慮，無人機飛行高度不低於40米，在此高度範圍內，對火源的識別面積不小於0.2平方米，發現火源後可自動緊急調度就近的處置終端進行滅火處置。能快速識別各類目標，並進行抵近偵察，保持與目標一定距離，可使用非致命武器自主對目標進行警告，並將圖像回傳。多旋翼無人機攜帶處置終端在滿載情況下重量小於5千克，巡航時間不低於60分鐘，能迅速滅掉不大於2平方米的火源面積，並自動實時評估滅火情況，將圖像和評估情況回傳。
17.中央控制分系統是保證無人機任務終端自主執行任務和操作人員控制所有分系統的關鍵核心，即是系統的「大腦」，具有存儲、計算、控制和通信等功能。中央控制分系統設施主要由液晶監視器、控制搖杆和高性能計算機組成，對無人機任務終端進行監視與控制。軟體主要由綜合控制系統和龐大的資料庫系統組成。綜合控制系統主要對多旋翼無人機任務終端所有功能進行控制，而資料庫系統除了保障控制系統的正常功能以外，還作為任務終端探測識別目標的基礎目標資料庫。由人員使用綜合控制系統軟體對任務進行編程，更新任務終端自主處理程序。
18.通信分系統集成在中央控制分系統與無人機任務終端內部，是系統的「神經」，實現任務終端與中央控制分系統的不間斷通信，每個具體通信功能的設備均由天線和信號處理模塊組成。
19.為避免無人機任務終端進入通信盲區失聯，根據具體情況，在距離中央控制分系統的適當位置設置通信中繼接收器，數量足夠覆蓋整個區域無通信盲區，通信中繼接收器與中央控制分系統之間採用通信光纜連接，以保證通信數據的可靠穩定。
20.本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，結構簡單，成本低廉，能夠滿足在規定倉庫面積範圍內的單次續航飛行時間要求；具有定製規劃路線飛行巡檢功能；可快速搜索和發現倉庫內初期火情及人員、車輛等目標；具有目標自動發現、敵我識別和標識、威脅判斷功能；具備對倉庫室外初期火源的快速滅火能力；能夠對外來闖入人員實施跟蹤、喊話、控制及非致命打擊等任務；各分系統與中控臺之間具有信息互聯互通能力；能夠實現晝夜巡檢及處置能力；具有遭受攻擊或失聯狀態下的數據自毀功能。
附圖說明
21.圖1為本發明智能防控系統任務流程示意圖；圖2為本發明智能防控系統方案圖；圖3為本發明智能防控系統組成圖；圖4為本發明智能防控系統信息流轉圖；圖5為本發明無人機動力系統建模流程圖；圖6為本發明無人機動力系統匹配部件流程圖。
具體實施方式
22.為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，對本方案進行闡述。
23.本實施例是一種庫區智能防控系統，包括無人機平臺分系統、任務載荷分系統、中央控制分系統和通信分系統；無人機平臺分系統搭載任務載荷分系統構成無人機任務終端，無人機平臺分系統包括兩架無人機，其中一架無人機搭載高清可見光攝像機和紅外熱像儀用於廣域巡邏偵察、火情初期預警及可疑目標快速搜索，構成巡邏無人機；另一架無人機搭載喊話器、拋投器、催淚彈和滅火彈載荷用於實現處置功能，包括初期火源撲滅、闖入人員驅離打擊，構成處置無人機；中央控制分系統包括設置於地面的區域指揮中心；通信分系統由設置於無人機、倉庫建築物和區域指揮中心的無線數傳電臺和通信光纜組成，倉庫建築物的無線數傳電臺作為通信系統的中繼通信節點，延長區域指揮中心對無人機的控制範圍。
24.根據上述的一種庫區智能防控系統的工作方法，如圖1所示，包括：步驟1：在駐地區域，設置區域指揮中心，區域中心設置有中央控制臺，控制包括巡邏無人機和處置無人機在內的無人平臺；操控人員控制巡邏無人機起飛，按預先規劃線路進行巡航，對沿途區域快速搜索；步驟2：將倉庫建築物所在區域設置為作業區域，到達作業區域後，巡邏無人機自動接入該區域無線數傳電臺，與區域指揮中心進行數據與圖像傳輸時利用倉庫建築物和區域指揮中心之間的通信光纜；步驟3：巡邏無人機作業，採用「大範圍普查+重點位置抵近詳查」的方式，具體為，大範圍普查時，巡邏無人機沿航線在目標區域搜索，實時記錄並回傳視頻圖像；步驟4：對倉庫建築物進行巡檢時，採取「重點位置抵近詳查」的方式，巡邏無人機採取四邊形航線或定點繞飛形式，對倉庫建築物進行全方位觀察，通過光學變焦攝像機清晰分辨建築物表面較大面積損壞信息，對於局部的裂紋、破損通過旋停方式進行抵近詳細觀察；步驟5：若發現初期火情，系統可自動發出警示信息，通過掛載紅外熱像儀實時監測火勢，並發出警報，提醒操作人員儘快採取處置措施；若發現人員闖入，操作人員根據實時圖像快速判斷威脅程度，按特情等級派出無人機處置或安排人員前往處置，同時，巡邏無人機保持盤旋或旋停監視，為後續處置提供引導支持；步驟6：操控人員根據異常情況類型選擇不同作業設備，控制處置無人機飛赴特情地點，處置無人機到達目標區域後自動接入該區域無線數傳電臺，通過攝像頭實時回傳現場信息，並進行針對性處置，包括可疑人員警告、驅離，撲滅初期火情；步驟7：通過巡邏無人機獲取的大範圍圖像信息對處置結果進行評估，若未達到預期效果，則處置無人機再次出動，巡邏無人機保持監視；若達到預期效果，則處置無人機撤回、巡邏無人機按計劃繼續執行任務。
25.由此，如圖2所示，構成包括通信中繼接收器在內的地面站與無人平臺能實現的功能。
26.庫區智能防控系統進一步的，無人機包括機架，機架設置有動力系統和控制系統；
動力系統包括旋翼系統、動力裝置、能源和電氣裝置；控制系統包括飛控及電子設備、地面站設備和保障設備。
27.進一步的，旋翼系統採用六旋翼結構。
28.進一步的，機架採用全碳纖一體式機身結構。
29.進一步的，旋翼系統採用摺疊式六旋翼結構。
30.進一步的，機架設置有可收放式起落架。
31.進一步的，無人機最大載重量達到11kg，空載最大續航時間達90min，選配差分gps定位精度可達5cm。
32.如圖3所示，無人機平臺分系統是具有搭載偵察監視、目標識別與定位、目標優先級判斷、儲存傳輸、聯動預警警示、滅火與非致命性打擊等功能的多旋翼無人機平臺。
33.兩種智能防控無人機，分別構成六旋翼巡邏無人機系統和六旋翼處置無人機系統。六旋翼巡邏無人機系統包括無人機平臺、導航飛控分系統、測控鏈路分系統、任務載荷分系統和綜合保障分系統。其中導航飛控分系統包括導航飛控計算機和差分定位模塊；測控鏈路分系統包括測控數據鏈和可攜式地面站；任務載荷分系統包括可見光攝像機和測溫型紅外熱像儀；綜合保障分系統包括儲運包裝箱和其它各附件。
34.六旋翼處置無人機系統包括無人機平臺，還包括與六旋翼巡邏無人機系統連結的數據鏈，還攜帶有包括喊話器、拋投器、滅火彈和催淚彈的任務載荷，以及地面控制站包括有單屏地面站和雙屏地面站，用於配合緊急事務處置。六旋翼處置無人機系統酌情配置六旋翼巡邏無人機系統的配置，如性能或有不同。如圖4所示，六旋翼處置無人機與六旋翼巡邏無人機在工作時，與區域指揮中心的信息流轉配合，兩種智能防控無人機是互相補充和互相支持的。
35.如圖5所示，根據需求功能進行無人機設計。按照無人機的各種狀態進行相應的計算，如旋停、最大速度平飛等，在給定的一些約束條件下，如油門不大於0.9，可以得出每種狀態的性能結果。
36.在無人機設計時，考慮到動力系統主要由螺旋槳、直流電機、電子調速器和電池組成，它們之間相互依存、互為整體，並且相互間的關係並不是簡單的線性關係，為估算動力系統能否達到任務要求，分別對螺旋槳、直流電機、電子調速器和電池進行建模。
37.（1）螺旋槳建模。採用螺旋槳升力t和轉矩m的計算公式：
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2其中，n（單位：轉/每分鐘）為螺旋槳轉速，d
p
（單位：m）為螺旋槳直徑，ρ（單位：kg/m3）為空氣密度，c
t
和cm為常數（與螺旋槳的工藝和材質有關）。
38.實驗條件允許的情況下，可以通過測量的方式將常數c
t
和cm測出來。模型的正確性進行了比較驗證，所得的模型結果與真實數據基本吻合。
39.（2）電機建模。目前，多旋翼無人機使用最多的是無刷直流電機，無刷直流電機有
低幹擾、噪音低、壽命長、轉矩特性優異、效率高等優點。進行建模：
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3其中，um和im分別為電機的等效電壓和等效電流，k
v0
為電機標稱空載kv值，u
m0
為電機標稱空載電壓，i
m0
為電機標稱空載電流，rm為電機內阻，m為螺旋槳轉矩，n螺旋槳轉速。
40.（3）電調建模。電子調速器的作用是將電池送來的電流電壓轉換成無刷電機工作三相交流信號。進行建模：
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6其中，σ為油門指令，um和im分別為電機的等效電壓和等效電流，ub、ib和rb分別為電池電壓、電流和內阻，ue、ie和re分別是電子調速器的輸入電壓、輸入電流和內阻。
41.（4）電池建模。電池的放電過程一般是非線性過程，但為了進行估算，現對電池模型進行簡化，假設電池放電的剩餘電量呈線性變化，即放電過程中，電池電壓保持不變。採用公式進行建模：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8其中，tb（單位：min）為續航時間，cb為電池容量，c
min
為電池最小容量，一般為0.15cb～0.20cb，ib為電池電流，kb為電池最大放電倍率。
42.而後，根據建模數據設定約束，對能採購到的標準型號零部件進行選擇。如圖6所示，現有無人機的性能指標，如何得出相應的選型建議呢，既然直接逆向求解有困難，可以將這個問題交給計算機。已經通過性能求解模型仿真並調整參數得出了比較符合實際的模型。那我們可以通過性能需求初步確定動力系統中各部件的選型範圍，進行組合併利用性能求解模型計算相應結果，在一些約束條件下或者是優化原則下，對性能需求進行匹配，匹配相似度最高的動力系統配置即是選型建議。
43.任務載荷分系統採用模塊化設計，包括目標探測識別模塊和應急處置模塊，能夠
對微弱火源有較強的探測與識別能力。目標探測識別模塊具備偵察、探測、識別、定位、自動跟蹤等功能。應急處置模塊具備報警、非致命打擊和消防處置等功能。消防與非致命打擊負載是模塊化配置，使用前進行掛載，中央控制臺選擇工作模式即可。綜合縮短巡飛周期、增大監視範圍與無人平臺性能平衡等方面考慮，無人機飛行高度不低於40米，在此高度範圍內，對火源的識別面積不小於0.2平方米，發現火源後可自動緊急調度就近的處置終端進行滅火處置。能快速識別各類目標，並進行抵近偵察，保持與目標一定距離，可使用非致命武器自主對目標進行警告，並將圖像回傳。多旋翼無人機攜帶處置終端在滿載情況下重量小於5千克，巡航時間不低於60分鐘，能迅速滅掉不大於2平方米的火源面積，並自動實時評估滅火情況，將圖像和評估情況回傳。
44.中央控制分系統是保證無人機任務終端自主執行任務和操作人員控制所有分系統的關鍵核心，即是系統的「大腦」，具有存儲、計算、控制和通信等功能。中央控制分系統設施主要由液晶監視器、控制搖杆和高性能計算機組成，對無人機任務終端進行監視與控制。軟體主要由綜合控制系統和龐大的資料庫系統組成。綜合控制系統主要對多旋翼無人機任務終端所有功能進行控制，而資料庫系統除了保障控制系統的正常功能以外，還作為任務終端探測識別目標的基礎目標資料庫。由人員使用綜合控制系統軟體對任務進行編程，更新任務終端自主處理程序。
45.通信分系統集成在中央控制分系統與無人機任務終端內部，是系統的「神經」，實現任務終端與中央控制分系統的不間斷通信，每個具體通信功能的設備均由天線和信號處理模塊組成。
46.為避免無人機任務終端進入通信盲區失聯，根據具體情況，在距離中央控制分系統的適當位置設置通信中繼接收器，數量足夠覆蓋整個區域無通信盲區，通信中繼接收器與中央控制分系統之間採用通信光纜連接，以保證通信數據的可靠穩定。
47.本發明未經描述的技術特徵能夠通過或採用現有技術實現，在此不再贅述，當然，上述說明並非是對本發明的限制，本發明也並不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本發明的保護範圍。