一種蜂巢救援型無人機雲計算平臺的製作方法

2023-05-02 16:36:41 1

本發明涉及一種無人機智能控制系統，屬於電子信息科學與技術領域，具體涉及一種蜂巢救援型無人機雲計算平臺。

背景技術：

隨著我國城市化進程的發展，傳統的救火辦法已不能滿足實際需求，故消防無人機應運而生。當火災發生時，使用消防無人機進行災情探測與偵查，既可以無視地形和環境，又能做到機動靈活開展工作，特別是一些急難險重的火災現場，消防人員無法直接開展的情況下，消防無人機能夠迅速展開作業。通過消防無人機偵查能夠有效提升救災效率，第一時間查出火災事故的主要火源，以便指揮員作出正確決策。能夠有效規避人員傷亡，既能避免人進入有毒、易燃易爆等危險環境中，又能全面、細緻掌握現場情況。

現有技術中，消防無人機研究領域偏向多傳感器、多功能高度集成化，使得設備成本越來越高，功能也越來越豐富。然而高成本高功耗的無人機價格昂貴，系統穩定性差，難以滿足高魯棒、長航時的工作目標，並不符合消防無人機的市場定位，目前常用的火災救援無人機主要存在以下缺點。

1．體積龐大價格昂貴，無法滿足長航時要求。現有救援無人機不僅價格昂貴而且體積龐大，由於體積和重量的限制導致飛行功率需求較大，在火災現場中不能滿足長航時飛行任務。

2．求生設備隱蔽，無法及時運送至受災人員面前。現有的消防口罩等設備考慮到樓層設計的美觀，幾乎都放置於隱蔽的位置，且與建築物融為一體，在火災緊急的條件下，受困人員幾乎不可能立即找到消防口罩等設備。

3．樓層疏散地圖設計複雜，危機情形下難以立即尋找到樓層疏散出口。現有樓層疏散地圖一般通過預製樓層平面圖張貼於牆壁，受困人員在慌張的場景或者火場煙塵等問題，難以立即尋找出樓層疏散出口，延誤了救援時機。

基於目前消防無人機普遍存在的缺點，設計出一種系統魯棒、成本低廉、能夠提供救援設備、懸停環拍和智能引導受困人員的救援無人機設備和集中指揮控制平臺，具有重要的現實意義，並成為了一種新的技術需求。

技術實現要素：

（一）要解決的技術問題

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種蜂巢救援型無人機雲計算平臺。該平臺旨在通過無人機控制單元、外設單元和雲計算單元進行遠程智能操控蜂巢救援型無人機，並通過懸停環拍採集火災現場和受困人員信息，提供消防手電筒和自救呼吸器等救援設備，受困人員通過掃描二維碼即可定位當前位置信息，通過飛控圖傳模塊和聲光報警器等傳感器引導受困人員迅速逃離火災現場，達到遠程監控感知火災現場，減少人員傷亡的目標。

（二）技術方案

本發明提出的蜂巢救援型無人機雲計算平臺，包括無人機控制單元、無人機外設單元和無人機雲計算單元。

優選的，所述無人機控制單元包括無人機微控制器1、電機2、螺旋槳3、無人機機體4、圖像採集模塊5、熱釋電感應器6、高精度定位器7、無人機擴展板卡8、飛控圖傳模塊9、無線收發器a、聲光報警器10和閃光文字顯示器11。

進一步的，所述無人機微控制器1包括陀螺儀101和加速度計102，所述陀螺儀101採用x、y和z三軸陀螺儀，且與所述無人機微控制器1所在平面和右手定則構建的x、y和z軸對應平行；所述加速度計102是x、y和z三軸加速度計，且與所述無人機微控制器1所在平面和右手定則構建的x、y和z軸對應平行。陀螺儀101通過測量x、y和z三軸的角速度信息，並將上述信息實時電性傳輸至無人機微控制器1，無人機微控制器1採用四元數法迭代計算後實時獲取無人機的姿態信息。同理，加速度計102通過測量x、y和z三軸的比力信息，並將上述信息實時電性傳輸至無人機微控制器1，無人機微控制器1採用積分法迭代計算後實時獲取無人機的速度信息，並根據歷史位置信息和歷史迭代的速度信息計算出當前的位置信息，配合高精度定位器7實現無人機當前位置的精確計算。

優選的，所述無人機微控制器1電性連接至電機2，無人機微控制器1可採用arm、單片機、cpu或者dsp；所述電機2可採用直流電動機、異步電動機或者同步電動機。

優選的，所述電機2電性連接至螺旋槳3，所述螺旋槳3以抽孔鉚接的方式固定在無人機機體4上方。

可選的，所述螺旋槳3採用三軸螺旋槳或者四軸螺旋槳或者六軸螺旋槳，並與電機2配合形成高性價比的電機螺旋槳。

優選的，所述圖像採集模塊5電性連接至無人機微控制器1，所述圖像採集模塊5包括紅外夜視器501、全景攝像器502和普通攝像頭503，所述紅外夜視器501電性連接至圖像採集模塊5，所述全景攝像器502電性連接至圖像採集模塊5，所述普通攝像頭503電性連接至圖像採集模塊5。紅外夜視器501在黑夜和濃煙等場景中可實時獲取火災現場圖像信息，並通過紅外夜視器501將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。同理，全景攝像器502採用360°全景攝像，能夠無死角的獲取現場信息，並通過全景攝像器502將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。同理，普通攝像頭503採用普通攝像的方式將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。圖像採集模塊5的圖像信息以電性連接的方式傳輸至無人機微控制器1中，通過飛控圖傳模塊9和無線收發器a將火災現場信息傳送至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，以供消防專家還原火災現場，並做出相應的指揮命令。所述雲計算消防中央控制指揮平臺b1依託於大數據云計算，採用集中統一的方式處理遠程消防終端等智能設備，屬於現有技術中常規的公知技術，此處用在本發明中進行火災現場信息集中指揮處理。

優選的，所述熱釋電感應器6電性連接至無人機微控制器1，蜂巢救援型無人機在飛行過程中，通過熱釋電感應器6實時感應受困人員和火源信息，並將該信息傳輸至無人機微控制器1，當感應器採集數值大於系統預設閾值時，判斷此時存在受困人員和火源信息，無人機微控制器1控制電機2和螺旋槳3實現無人機懸停環拍，並通過聲光報警器10發出救援和提示語音信息，通過閃光文字顯示器11以閃爍的方式和高亮文字的方式提示當前火源和受困人員信息。

優選的，所述高精度定位器7電性連接至無人機微控制器1，所述高精度定位器7包含北鬥定位器、gps定位器、galileo定位器、glonass定位器和室內定位器中的一種或者多種組合定位。根據實際場景需求，優先採用我國自主研發的北鬥定位器和室內定位器組合定位的方式，同時結合陀螺儀101和加速度計102進行高精度無人機位置定位。

優選的，所述無人機擴展板卡8電性連接至無人機微控制器1，所述無人機擴展板卡8根據實際火災場景需求，可擴展煙霧傳感器、氣體傳感器、酒精傳感器、火焰傳感器和溫度傳感器中的一種或者多種。

優選的，所述飛控圖傳模塊9電性連接至無人機微控制器1，飛控圖傳模塊9用於將圖像採集模塊5採集到的圖像信息進行編碼壓縮，在保證圖像畫質質量的前提下，最大壓縮圖像所佔空間信息，以降低系統延時，提高火災場景圖像傳輸效率。

優選的，所述無線收發器a電性連接至飛控圖傳模塊9。

進一步的，所述無線收發器a的工作頻段為5ghz或者2.4ghz。

優選的，所述聲光報警器10電性連接至無人機微控制器1，所述閃光文字顯示器11電性連接至無人機微控制器1。無人機懸停環拍時，無人機微控制器1控制聲光報警器10發出聲光報警信息，控制閃光文字顯示器11以閃爍的方式顯示高亮文字信息，提示受困人員進行消防設備獲取和緊急疏散。

優選的，無人機外設單元包括無人機機體4、消防手電筒401、應急逃生錘402、消防自救呼吸器403、空氣過濾器404、氣流防煙器405、外設可摺疊機體控制器406和無人機二維碼407。

進一步的，所述消防手電筒401放置於無人機機體4內部，所述應急逃生錘402放置於無人機機體4內部，所述消防自救呼吸器403放置於無人機機體4內部，且消防手電筒401、應急逃生錘402和消防自救呼吸器403順序擺放，無人機發現受困人員時，無人機懸停環拍且通過聲光報警器10以聲光的形式提示受困人員拿取無人機機體4內部的應急救援設備，同時無人機通過閃光文字顯示器11以閃光文字的形式提示受困人員拿取無人機機體4內部的應急救援設備。

優選的，所述空氣過濾器404咬縫聯接至無人機機體4，所述氣流防煙器405咬縫聯接至無人機機體4。

進一步的，所述空氣過濾器404內置空氣過濾棒，可以過濾空氣中的煙塵以幫助受困人員呼吸空氣。所述氣流防煙器405包含旋轉電機和風扇，能夠吹開受困人員眼前的煙霧防止眼睛被燻，即吹離眼部附近的煙塵達到防煙燻效果。

優選的，所述外設可摺疊機體控制器406電性連接至無人機機體4，所述無人機二維碼407貼合於無人機機體4的底部。當無人機不工作時，通過外設可摺疊機體控制器406控制無人機機體收縮，減少無人機所佔用的面積。火災場景下，受困人員通過聲光報警器10發出的聲光報警信息和閃光文字顯示器11發出的閃光文字信息找到蜂巢救援型無人機，通過掃描無人機機體4底部的無人機二維碼407即可獲取當前受困人員位置信息，在無人機的指引下迅速逃離現場。

優選的，所述無人機雲計算單元包括無線收發器b、雲計算消防中央控制指揮平臺b1、數據處理模塊b01、數據分析模塊b02、場景顯示模塊b03和遠程指揮控制模塊b04。

進一步的，所述無線收發器b電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，無線收發器b與無線收發器a進行匹配，採用相同的無線傳輸頻率。

進一步的，所述數據處理模塊b01電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，數據處理模塊b01用於處理無人機位置信息、受困人員位置信息、圖像信息等數據；所述數據分析模塊b02電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，數據分析模塊b02將雲計算消防中央控制指揮平臺b1中的信息進行分析處理，利用大數據樣本信息還原火災現場，並通過場景顯示模塊b03實時顯示火災現場信息和受困人員信息；所述場景顯示模塊b03電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，所述遠程指揮控制模塊b04電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1；遠程指揮控制模塊b04可通過火災指揮專家進行遠程手動控制無人機運動狀態、聲光報警信息和閃光文字信息，遠程指導受困人員儘快逃離火災現場，同時，也可將蜂巢無人機設置成自動運行模式，通過圖像採集模塊5、熱釋電感應器6和高精度定位器7在火災現場進行智能飛行和環拍操作。

（三）有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明提出的蜂巢救援型無人機雲計算平臺具有系統穩定、魯棒性強、成本低廉、功能豐富的優點，蜂巢救援型無人機能夠懸停環拍並智能引導受困人員，同時提供了多種應急救援設備，滿足無人機長航時、高精度、多功能和高清圖像回傳的火災應急需求，工程應用價值廣闊。

附圖說明

圖1顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算平臺系統原理框圖；

圖2顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機控制單元系統原理框圖；

圖3顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機外設單元系統原理框圖；

圖4顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算單元系統原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明做的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

圖1顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算平臺系統原理框圖。

如圖1所示，本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算平臺包括無人機控制單元、無人機外設單元和無人機雲計算單元。無人機控制單元包括無人機微控制器、電機、螺旋槳、無人機機體、圖像採集模塊、熱釋電感應器、高精度定位器、無人機擴展板卡、飛控圖傳模塊、無線收發器和聲光報警器等；無人機外設單元包括消防手電筒、應急逃生錘、消防自救呼吸器、無人機機體、外設可摺疊機體控制器和空氣過濾器等；無人機雲計算單元包括無線收發器、雲計算消防中央控制指揮平臺、數據處理模塊、數據分析模塊、場景顯示模塊和遠程指揮控制模塊。本發明提出的無人機雲計算平臺中具體實施例中無人機雲計算單元優選一臺中央雲計算伺服器，而無人機控制單元對應多臺無人機智能硬體電子設備，主要面向火災場景設計，當多臺無人機同時工作時，類似於蜜蜂全體出動一樣，故稱之為蜂巢救援型無人機。

圖2顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機控制單元系統原理框圖。

如圖2所示，本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機控制單元包括無人機微控制器1、電機2、螺旋槳3、無人機機體4、圖像採集模塊5、熱釋電感應器6、高精度定位器7、無人機擴展板卡8、飛控圖傳模塊9、無線收發器a、聲光報警器10和閃光文字顯示器11。下面結合具體實施例對無人機控制單元進行詳細說明。

本發明具體實施例中，蜂巢救援型無人機提前預置於樓層中，當發生火災等突發應急場景時，外設可摺疊機體控制器406控制蜂巢救援型無人機舒展機架和機身，收到火警信號後起飛進行智能巡航任務，雲計算消防中央控制指揮平臺b1每5分鐘派出一架蜂巢救援型無人機將樓層火災和受困人員等實際場景信息即時傳輸至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，在指揮專家分析火場情況後，制定應急處理計劃並發布應急命令。本發明具體實施例中，所述無人機微控制器1採用arm結構的cortex-m系列晶片，且無人機微控制器1外接三軸陀螺儀101和加速度計102，陀螺儀101採用x、y和z三軸陀螺儀，且與無人機微控制器1所在平面和右手定則構建的x、y和z軸對應平行；加速度計102是x、y和z三軸加速度計，且與無人機微控制器1所在平面和右手定則構建的x、y和z軸對應平行。陀螺儀101通過測量x、y和z三軸的角速度信息，並將上述信息實時電性傳輸至無人機微控制器1，無人機微控制器1採用四元數法迭代計算後實時獲取無人機的姿態信息。同理，加速度計102通過測量x、y和z三軸的比力信息，並將上述信息實時電性傳輸至無人機微控制器1，無人機微控制器1採用積分法迭代計算後實時獲取無人機的速度信息，並根據歷史位置信息和歷史迭代的速度信息計算出當前的位置信息，配合高精度定位器7實現無人機當前位置的精確計算。無人機微控制器1電性連接至電機2，電機2優選採用異步電動機，實現多旋翼螺旋槳的精確穩定控制。電機2電性連接至螺旋槳3，螺旋槳3以抽孔鉚接的方式固定在無人機機體4上方。螺旋槳3優先採用四軸螺旋槳，並與電機2配合形成高性價比的電機螺旋槳。圖像採集模塊5電性連接至無人機微控制器1，圖像採集模塊5包括紅外夜視器501、全景攝像器502和普通攝像頭503，紅外夜視器501電性連接至圖像採集模塊5，全景攝像器502電性連接至圖像採集模塊5，普通攝像頭503電性連接至圖像採集模塊5。紅外夜視器501在黑夜和濃煙等場景中可實時獲取火災現場圖像信息，並通過紅外夜視器501將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。同理，全景攝像器502採用360°全景攝像，能夠無死角的獲取現場信息，並通過全景攝像器502將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。同理，普通攝像頭503採用普通攝像的方式將現場信息傳送至圖像採集模塊5中。圖像採集模塊5的圖像信息以電性連接的方式傳輸至無人機微控制器1中，通過飛控圖傳模塊9和無線收發器a將火災現場信息傳送至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，以供消防專家還原火災現場，並做出相應的指揮命令。優選實施例中，無線收發器a和無線收發器b採用cc1101無線傳輸器。熱釋電感應器6電性連接至無人機微控制器1，蜂巢救援型無人機在飛行過程中，通過熱釋電感應器6實時感應受困人員和火源信息，並將該信息傳輸至無人機微控制器1，當感應器採集數值大於系統預設閾值時，判斷此時存在受困人員和火源信息，無人機微控制器1控制電機2和螺旋槳3實現無人機懸停環拍，並通過聲光報警器10發出救援和提示語音信息，通過閃光文字顯示器11以閃爍的方式和高亮文字的方式提示當前火源和受困人員信息。高精度定位器7電性連接至無人機微控制器1，高精度定位器7優先採用我國自主研發的北鬥定位器和室內定位器組合定位的方式，同時結合陀螺儀101和加速度計102進行高精度無人機位置定位。無人機擴展板卡8電性連接至無人機微控制器1，無人機擴展板卡8根據實際火災場景需求，可擴展煙霧傳感器、氣體傳感器、酒精傳感器、火焰傳感器和溫度傳感器中的一種或者多種。飛控圖傳模塊9電性連接至無人機微控制器1，飛控圖傳模塊9用於將圖像採集模塊5採集到的圖像信息進行編碼壓縮，在保證圖像畫質質量的前提下，最大壓縮圖像所佔空間信息，以降低系統延時，提高火災場景圖像傳輸效率。無線收發器a電性連接至飛控圖傳模塊9。無線收發器a的工作頻段優先設置為2.4ghz，以降低系統工作時的功率，提高無人機飛行時間。聲光報警器10電性連接至無人機微控制器1，閃光文字顯示器11電性連接至無人機微控制器1。無人機懸停環拍時，無人機微控制器1控制聲光報警器10發出聲光報警信息，控制閃光文字顯示器11以閃爍的方式顯示高亮文字信息，提示受困人員進行消防設備獲取和緊急疏散。

圖3顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機外設單元系統原理框圖。

如圖3所示，本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機外設單元包括無人機機體4、消防手電筒401、應急逃生錘402、消防自救呼吸器403、空氣過濾器404、氣流防煙器405、外設可摺疊機體控制器406和無人機二維碼407。本發明具體實施例中，無人機外設單元包含的應急消防器材可根據實際場景需要進行添加和減少，如果是化工廠附近的消防，則需添加處理相應化學物品的設備，以供消防員或者受困人員應急處理。消防手電筒401放置於無人機機體4內部，應急逃生錘402放置於無人機機體4內部，消防自救呼吸器403放置於無人機機體4內部，且消防手電筒401、應急逃生錘402和消防自救呼吸器403順序擺放，無人機發現受困人員時，無人機懸停環拍且通過聲光報警器10以聲光的形式提示受困人員拿取無人機機體4內部的應急救援設備，同時無人機通過閃光文字顯示器11以閃光文字的形式提示受困人員拿取無人機機體4內部的應急救援設備。空氣過濾器404咬縫聯接至無人機機體4，氣流防煙器405咬縫聯接至無人機機體4。所述空氣過濾器404內置空氣過濾棒，可以過濾空氣中的煙塵以幫助受困人員呼吸空氣。所述氣流防煙器405包含旋轉電機和風扇，能夠吹開受困人員眼前的煙霧防止眼睛被燻，即吹離受困人員眼部附近的煙塵達到防煙燻效果。外設可摺疊機體控制器406電性連接至無人機機體4，無人機二維碼407貼合於無人機機體4的底部。當無人機不工作時，通過外設可摺疊機體控制器406控制無人機機體收縮，減少無人機所佔用的面積。火災場景下，受困人員通過聲光報警器10發出的聲光報警信息和閃光文字顯示器11發出的閃光文字信息找到蜂巢救援型無人機，通過掃描無人機機體4底部的無人機二維碼407即可獲取當前受困人員位置信息，在無人機的指引下迅速逃離現場。

圖4顯示了本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算單元系統原理框圖。

如圖4所示，本發明優選實施例的蜂巢救援型無人機雲計算單元包括無線收發器b、雲計算消防中央控制指揮平臺b1、數據處理模塊b01、數據分析模塊b02、場景顯示模塊b03和遠程指揮控制模塊b04。無線收發器b電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，無線收發器b與無線收發器a進行匹配，採用相同的無線傳輸頻率。數據處理模塊b01電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，數據處理模塊b01用於處理無人機位置信息、受困人員位置信息、圖像信息等數據，且優先採用高性能cpu；數據分析模塊b02電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，數據分析模塊b02將雲計算消防中央控制指揮平臺b1中的信息進行分析處理，利用大數據樣本信息還原火災現場，並通過場景顯示模塊b03實時顯示火災現場信息和受困人員信息；場景顯示模塊b03電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1，場景顯示模塊b03優先採用led高清顯示屏；遠程指揮控制模塊b04電性連接至雲計算消防中央控制指揮平臺b1；遠程指揮控制模塊b04可通過火災指揮專家進行遠程手動控制無人機運動狀態、聲光報警信息和閃光文字信息，遠程指導受困人員儘快逃離火災現場，同時，也可將蜂巢無人機設置成自動運行模式，通過圖像採集模塊5、熱釋電感應器6和高精度定位器7在火災現場進行智能飛行和環拍操作。

綜上所述，本發明提供了一種蜂巢救援型無人機雲計算平臺。該平臺通過計算機雲計算網絡進行遠程指揮無人機，能夠快速響應火災作業任務，減少人員傷亡，具有系統穩定、魯棒性強、成本低廉、功能豐富的優點，蜂巢救援型無人機能夠懸停環拍並智能引導受困人員，同時提供了多種應急救援設備，滿足無人機長航時、高精度、多功能和高清圖像回傳的火災應急需求，工程應用前景廣闊。

本發明不局限於上述最佳實施方式，任何人在本發明的啟示下都可得出其他各種形式的產品，但不論在其形狀或結構上作任何變化，凡是具有與本申請相同或相近似的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。