基于高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)研究

孟 超，田相克*，馬俊宇，馬保聰*，王玉漢，陳文康

（臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

0 引言

高分子凝膠滅火彈采用的原材料是高吸水性樹脂（super absorbent polymer，SPA），通過吸水后形成凝膠狀態(tài)的物質(zhì)。將高分子凝膠滅火彈安裝在消防無人機(jī)上，利滅火彈尾部的腔體內(nèi)部設(shè)有與無人機(jī)相連接的智能點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，點(diǎn)火機(jī)構(gòu)通過無人機(jī)的控制系統(tǒng)與操控終端相連接，使其發(fā)射到火場內(nèi)部并膨脹爆開附著在火場內(nèi)部的物體上，使其在火場中能夠很好地對(duì)火場降溫控火。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

航空器與消防器材早在100年前就開始建立了聯(lián)系，1917年美國林務(wù)局最早提出了將飛機(jī)用于消防領(lǐng)域的設(shè)想，并在同年進(jìn)行了相關(guān)飛行任務(wù)的實(shí)驗(yàn)，采購了大量飛機(jī)在加利福尼亞州的土地上飛行巡查，監(jiān)控森林中是否存在發(fā)生火災(zāi)的跡象。1920年，美國林務(wù)局進(jìn)行了使用飛機(jī)滅火的嘗試，但是空投滅火的精準(zhǔn)度非常難保證，雖然經(jīng)過了幾年的摸索隨著滅火材料的容器的改變，但是還是會(huì)發(fā)生容器泄露的情況，而且在投放時(shí)的精準(zhǔn)度還是難以把控。1929年，隨著消防空中攝影的出現(xiàn)，加利福尼亞州的消防員已經(jīng)能夠很好地接收到空中投遞的救援包裹了，這些空投里面包含了對(duì)火場的分析以及一些必要的物資。

美國在近幾年的火災(zāi)救援中采用了大型的無人機(jī)進(jìn)行檢測，搜索。通過傳感器以及攝像頭實(shí)時(shí)傳輸圖像給控制終端。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在災(zāi)難救援的時(shí)的精準(zhǔn)效率方面的要求進(jìn)一步提高，無人機(jī)慢慢被運(yùn)用到了火災(zāi)救援的現(xiàn)場。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，運(yùn)用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)難現(xiàn)場的勘察以及人員的搜救工作可謂是既快捷又安全，大大降低了我們消防救援人員的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并且通過數(shù)據(jù)終端也能跟親身進(jìn)入火場內(nèi)部一樣了解到內(nèi)部的情況以便于做出正確快捷額決策。目前，國內(nèi)外無人機(jī)領(lǐng)域的專家利用無人機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代通信技術(shù)等研究和發(fā)明了許多和消防相關(guān)的無人機(jī)，主要用于森林的防火檢測、火場的輔助探查等。例如德國 MicroDrones公司生產(chǎn)的MD4-1000無人機(jī)，主要用于巡查檢測，通過夜間成像來對(duì)森林進(jìn)行消防偵查檢測。目前深圳的一家航空科技有限公司推出了一款消防救援無人機(jī)，搭載了各種的救援輔助模塊，比如空中喊話、熱成像、毒氣檢測等。而現(xiàn)在的無人機(jī)也存在著大量的問題如無人機(jī)的避障技術(shù)，現(xiàn)有的無人機(jī)避障主要是采用的超聲波以及紅外傳感器，而在火場中的復(fù)雜的環(huán)境下的傳感器會(huì)被各種因素所影響，還有無人機(jī)的續(xù)航問題其中包括儲(chǔ)蓄電量以及充電時(shí)常都存在短板，大大限制了無人機(jī)在場地工作的效率以及持久性，且現(xiàn)存的無人機(jī)大多都沒有防爆功能，尤其處于火場這種危險(xiǎn)程度極高的環(huán)境中，無人機(jī)的防熱防爆是很致命的問題之一，現(xiàn)有的消防無人機(jī)只是具備了一些簡單的協(xié)助功能，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入火災(zāi)場地時(shí)，搜救到人員后還需要等待消防人員制定計(jì)劃然后進(jìn)入火場對(duì)被困人員進(jìn)行施救，不能在發(fā)現(xiàn)被困人員之后立即執(zhí)行一些有效的救援措施，或者對(duì)被困人員進(jìn)行暫時(shí)保護(hù)，這樣大大延緩了救援時(shí)間，并沒有及時(shí)降低被困人員的危險(xiǎn)，所以說無人機(jī)應(yīng)用在救援搶險(xiǎn)的這種場景中還需要很多的路要走。

2 消防無人機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

所設(shè)計(jì)的基于高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)，是依托于無人機(jī)領(lǐng)域?qū)o人機(jī)進(jìn)行改造，用來滿足高層建筑失火。無人機(jī)采用四旋翼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，易于維護(hù)，螺旋槳采用碳纖維一體化設(shè)計(jì)，整體機(jī)身采用模塊化設(shè)計(jì)，采用快拆結(jié)構(gòu)，強(qiáng)有力的四旋翼能夠有效實(shí)現(xiàn)空中懸停，無人機(jī)下部采用兩支架式落地支撐，在兩支架間留出了充足的空間支持多種掛載以便于配備后期制作的凝膠滅火彈，高清攝像頭，紅外成像儀等，并且為無人機(jī)配備了抗磁場干擾控制器，配合ADRC抗干擾算法作為了該無人機(jī)的核心，可以實(shí)現(xiàn)在各種災(zāi)害現(xiàn)場的復(fù)雜條件影響下能夠穩(wěn)定飛行并且完成巡查搜救等任務(wù)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)采用四旋翼結(jié)構(gòu)，主要硬件包括無人機(jī)機(jī)體模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。（1）無人機(jī)機(jī)體模塊。用來搭載各種救援模塊的本體，并完成一定的飛行要求。（2）環(huán)境監(jiān)測模塊。利用三軸云臺(tái)來搭載相機(jī)進(jìn)行火場內(nèi)部的環(huán)境拍攝，利用超聲波以及紅外監(jiān)測器對(duì)火場內(nèi)被困人員進(jìn)行搜救。（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊。此模塊是為了能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)在火場內(nèi)監(jiān)測到的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸回地面，以更好地制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

圖1 基于高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 凝膠滅火裝置設(shè)計(jì)

3.1 消防無人機(jī)滅火控制工作原理

該無人機(jī)的控火降溫采用的是高分子凝膠滅火彈，高分子凝膠滅火彈的原材料是一種吸水性極強(qiáng)的樹脂材料，通過樹脂和水的充分混合后填充到滅火彈的內(nèi)部。將滅火彈裝置安裝在消防無人機(jī)底部，無人機(jī)底部的懸掛機(jī)構(gòu)上，滅火彈尾部的腔體內(nèi)部設(shè)有與無人機(jī)相連接的智能點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，點(diǎn)火機(jī)構(gòu)通過無人機(jī)的控制系統(tǒng)與操控終端相連接，通過無人機(jī)的蓄電池為其供電，通過消防人員在底面對(duì)無人機(jī)進(jìn)行操作檢測到火場內(nèi)部情況并傳回控制裝置后，確定被困人員信息后，找到合適的位置無人機(jī)懸停并觸發(fā)終端上滅火彈的發(fā)射開關(guān)，無人機(jī)接收到信號(hào)后，無人機(jī)的控制系統(tǒng)傳輸給滅火彈后方的點(diǎn)火裝置將滅火彈發(fā)射出去，滅火彈破窗后進(jìn)入火場后將會(huì)在火源上方以爆開的方式將調(diào)制好的高分子凝膠送到火災(zāi)侵蝕的物體表面覆蓋住火源以達(dá)到滅火的效果。

3.2 高分子凝膠滅火控制裝置的設(shè)計(jì)

滅火彈的結(jié)構(gòu)包括滅火彈的觸發(fā)彈頭、圓柱形彈體以及彈尾，為了保證更穩(wěn)定彈道，該滅火彈采用了略帶斜度的圓錐形彈頭，有效減少了風(fēng)阻，彈身采用了圓柱形結(jié)構(gòu)將高分子凝膠均勻地放置在彈體當(dāng)中，彈尾采用了翼片結(jié)構(gòu)使發(fā)射后的滅火彈有更好的穩(wěn)定性，彈體的材料使用的是ABS，ABS材料的密度低，重量輕耐高溫非常適合做滅火彈的殼體材料。

4 結(jié)語

通過凝膠滅火彈對(duì)火場的控溫滅火后，能夠更好地了解到火場情況和被困人員后，可以將無人機(jī)下方的凝膠滅火彈更換成救援彈，救援彈上方裝有智能熱成像傳感器和紅外測距儀，通過前期滅火彈提供的環(huán)境條件后發(fā)射到火場內(nèi)部給被困人員及時(shí)輸送所需的物資，如防火服，防毒面罩，應(yīng)急醫(yī)療物品等?？梢栽谙廊藛T不能及時(shí)到達(dá)的情況復(fù)雜的高層建筑的火場中盡最大的可能保護(hù)被困人員的人身安全。

圖2 高分子凝膠滅火彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

不僅僅是一些高層建筑起火，在一些存有易燃易爆物品的工廠起火時(shí)，在不清楚工廠內(nèi)部的情況以及各種隱患的情形下，消防人員貿(mào)然進(jìn)入火場內(nèi)部可能會(huì)造成更多的人員傷亡，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在近幾年的火災(zāi)現(xiàn)場發(fā)生了好多消防人員受傷犧牲的案例，這些案例也從側(cè)面反映了當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)我們對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部的情況變化掌握的并不充足，而這時(shí)消防無人機(jī)的提前進(jìn)場就顯得尤為重要，該攜帶有高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)在入場后不但可以傳輸火場內(nèi)部畫面給操控者，而且還可以應(yīng)對(duì)一些較為突發(fā)的事件，比如給予被困人員周圍環(huán)境及時(shí)的降溫滅火，投放緊急的救援物資，并定位被困人員排除隱藏的安全隱患制定合適的救援方案，提高消防人員的救援效率，降低消防員的受傷風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對(duì)現(xiàn)有高層建筑物火災(zāi)控制時(shí)所存在問題，對(duì)基于高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)進(jìn)行研究，完成了消防無人機(jī)總體方案設(shè)計(jì)和滅火控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該基于高分子凝膠滅火彈的消防無人機(jī)設(shè)計(jì)繼承了現(xiàn)有的無人機(jī)的體積小、速度快、便捷性高等特點(diǎn)。能夠輔助消防人員在各種復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場尤其是高層建筑著火時(shí)及時(shí)了解火場內(nèi)部情況，完成相應(yīng)的應(yīng)急滅火和投送救援物資的任務(wù)。降低了消防人員的火場救援的風(fēng)險(xiǎn)，解決現(xiàn)有的救援搶險(xiǎn)中存在的缺陷與不足，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并制止火場中安全隱患的發(fā)生。