消防救援无人机设计

第1章绪论1.1设计背景消防人员救援时有三个目标，首先是保护和挽救生命，民众的生命安全永远是救援的第一要点，其次是扑灭火灾，以防止火灾蔓延造成更大的危险，防止火灾波及到周围的人员，最后是最大程度保存火灾现场物资，以减少火灾对群众对国家造成的财产损失。但是由于时代的不断发展，科技的不断进步，火灾的发生场地也逐渐复杂了起来，因此无人机也应该做出相应的改动去应对不同的火灾情况，帮助消防人员尽快控制火灾现场。而除了火灾现场能够出现的一些常见原因和意外风险外，随着近几年来气候的不断异化，导致部分地区极端天气频繁发生。面对不断增长、出现的威胁，消防机构应该不断更新自己的设备来达成更快更好的救援。无人机不仅仅只是一种工具，凭借着自身的特点也能够暂时充当消防人员的视野，在情况危急，可见范围小的火场之中，无人机自身携带的通讯设备和红外摄像等功能能够帮助消防员准确定位。同时配备不同传讯功能的无人机也能够帮助消防人员对火场情况的不断变换及时沟通以做出迅速的决策来控制住火场情况，以便消防人员能够相应地制定战略并保持更安全。在火灾环境中使用无人机的情况越来越多，特别是在消防员在火灾中经常遇到的可怕的高温、爆炸物随时爆炸风险、有毒的烟雾和含有危险化学品的工业火灾中。无人机可以从不同的有利位置观察火灾现场，并及时传递给消防人员。1.2设计目的及意义目的：随着科学的进步和人类的发展，高新科技将不断应用于日常生活中，例如无人机的使用与进步，将无人机应用于消防救援中，尤其是高楼大厦中，可以更好的保障受困人员和消防员的身体健康，为消防救灾行动提供更大更便捷的帮助；同时，无人机也可以做到一些在消防工作中，消防员无法做到的危险作业。意义：无人机的运行成本低廉、构造简单、所要求的机械零部件相对偏少，无论是拆卸还是更换、维修都十分方便。而且无人机使用起来也比较容易，新手也可以快速熟悉并且掌握，与大型飞行设备相比，无人机起降要求很低，不用准备专业跑道。更为主要的功能是，无人机能够做到垂直起降和悬停，不用理会天气情况，无论是在恶劣气候下还是危险环境内，都能够实时准确地为消防人员传递火场信息。无人机本身拥有的网络平台，能实现多种信息传递功能，通过运用这些通讯以及信息传递能力，能够让无人机发挥最大的能力去帮助消防人员更快的制定相应的救援灭火对策，更快地达成任务目的。21.3国内外研究现状国内现状：近年来，无人机相关系统、相应的技术等不断地在发展在进步以及市场需求的不断增加，无人机在不管是军事方面还是民众使用方面都在快速发展。而且，无人机在不同的消防救援单位有着不同程度的配备，但是，相关的无人机使用仍存在很多问题：一是无人机在实际救援任务中，具体的工作内容较少，目前的主要作用只有航拍来大致扫描出火灾的发生位置以及通过红外线来感知受困人员的所在位置，并不能将无人机意应用到实际救援之中；二是虽然无人机的操作使用很简单，但是有关部门相应的无人机训练却并没有完善好，使得火灾救援时，无人机的操作者和消防员之间无法快速达成沟通交流；三是无人机的网络问题，因为火灾现场的通讯设备会很杂，有些火场因为地理位置等原因，可能会让无人机受到信号干扰，因此无人机的信息共享能力需要加强。国外现状：加拿大使用从卫星去监测森林的实时情况，当检测结果显示森林的某一处温度达到150°~200°的时候，检测人员便可以得知这是火灾发生的前兆，随即会派出人员测定森林具体温度，采取相应的措施及时防止火灾发生。与此同时，加拿大林区在检测森林火灾时会使用多架拥有先进功能的无人机轮流进行监测。2002年，德国在使用Fire-WatchSystem森林火灾自动预警系统，它能够做到在森林发生火灾时及时预知和警报。这项系统有效的帮助了德国控制森林火灾的发生，将财产损失尽全力的降到了最低，此后该林区共发生了一百多次森林火灾，没有一次火灾能够在预警系统的监管之下漏报。2006年10月，美国使用“牵牛星(Altair)”型号的无人机在森林大火发生的时候，通过红外线等扫描工具，在森林大火的上空进行扫描勘测，并将数据及时发送给地面监测站，然后每隔一段时间就往消防局传输火场图像，为消防人员提供了丰富的视野，使得此次森林大火能够被顺利快速的扑灭。此次任务的顺利完成也象征着美国第一次允许民众使用的无人机在国家空域内执行灭火救援任务。第2章消防救援无人机设计市场调研2.1消防救援无人机市场现状分析行业政策：多个不同的无人机相关管理部门都多次提出要支持和发展无人机相关产业，其中提出要支持发展新型智能无人机新经济，在国家有关部门的支持下，无人机产业必将会迎来一个重大的发展机会，在未来能够使得无人机生产研发企业、无人机飞行时间、无人机操作人员的驾驶执照持有数都能够有明显的大幅增长，同时相关部门也会制定相应的无人机运行管理技术，发布中国关于民航无人机的相关发展战略。3市场规模：随着无人机可以使用的场所越来越多之后，使得我国无人机的发展越来越迅速，市场规模也越来越大，在2021年时，中国无人机市场规模已经达到了869亿元，相比较上年增长45%，2022年国内市场规模还在增长，达到惊人的1165亿元左右，与2021年同期相比增长37%，预计2023年市场规模还会有不小的提升。市场结构：随着全球信息化战争的形势发展在不断严峻，对无人机等一些现代化新型装备的需求会越来越多，但是同样的，随着便民化的发展，无人机在帮助普通民众日常生活或者工作使用中也会有着蓬勃的发展前景，以现在的市场调查显示，尽管军用无人机的市长比重胜于民用，比重接近六比四，但是民用无人机的成长率要高于军用无人机。细分市场：从细分市场方面来看，民用无人机的市场占比目前远不如军用无人机，因为民用无人机是近几年来才开始起步，而军用无人机的发展甚至可以追溯到上个世纪，因此，在无人机的市场中军用无人机的占比目前来说还是很大的，但是随着无人机逐渐小型化，廉价化，民众们也会更多的去体验无人机去购买无人机，相信在未来，民用无人机能够超越军用无人机的市场占比。无人机数量：2016-2022年，我国民用无人机的持有数处在不断上升的趋势中，由2016年的23.5万架到如今2022年的百万架，预计未来随着科技的不断发展与进步，无人机的功能越来越先进，造价越来越实惠，民用无人机的持有数还会不断地提升，在2025年我国无人机市场规模可能会达到66亿美元。其他应用领域：根据北京研精毕智调研结果统计，我国的无人机行业在其他领域应用中，主要应用于巡检、地理测绘和农林保值，其次安防监控、消防和快递物流领域也有不少在使用无人机进行相关作业，另外，还有一些其他的领域也会偶尔使用无人机。2.2竞品调研图2.1正唐科技巡检无人机（来自：网络）（1）正唐科技巡检无人机技术优势：与航天一院等机构合作较高的研发水平，拥有成熟的产品和稳定的供货链。与武警森林部队西藏总队有合作，具备产业化的应用案例，价格便宜，但整体性能偏差，续航时间较短，飞行系统稳定性待考察。图2.1正唐科技巡检无人机（来自：网络）4图2.2天途M图2.2天途M8FD无人机（来自：网络）图2.3广州华科尔科技R图2.3广州华科尔科技R1000RTK（来自：网络）5图2.4ZHUN(wk-1800)（来自：网络）图2.4ZHUN(wk-1800)（来自：网络）2.3用户调研因为无人机的定位是用于辅助消防人员进行火灾救援作业，因此无人机的设计应当以消防人员的需求为主，尽力去改造成能够满足消防人员救灾需求的产品，基于这种目的，需要对消防人员进行细致的采访与询问，总结出消防人员在救灾时的需求，并以这种需求为主要方向，对无人机进行针对性的改良。通过网络采访视频和线下采访询问，最终大致归纳出了消防人员在救灾时的部分需求，首先是无人机的可靠性，因为在救援过程中时刻伴随着潜在的危险，所以需要无人机能够提供非常可靠的消息来帮助消防员或者受困人员尽量规避这些危险，因此需要无人机在抗风抗热等方面都需要有较高的性能；其次是操作性，需要无人机操作方便快捷，并且有较高的续航能力以及一定的范围；最后是兼容性，因为很多时候火灾现场情况复杂，因此需要无人机能够携带一些辅助测绘工具，同时也需要无人机能够便于携带，在更好的方位开始作业。62.4消防救援无人机材质调研无人机材料为碳纤维复合材料（1）可整体—体化成型无人机具有高度翼身融合的外观，因此外形需要大面积的一体构造。而碳纤维复合材料可以运用自动化流水线的工艺来达到生产，提高制造效率，有效降低生产制造所需成本，很适合大规模去制造无人机的机身构造。（2）比强度和比刚度大碳纤维复合材料具有这两项特性，这两种特性使得在制造无人机时，选取碳纤维材料的话，会让无人机朝着更轻更硬的方向发展，而更轻更硬便可以让无人机题型不断地缩小，也不会影响内部的机械正常的运转，与此同时更轻意味着无人机的速度便能提升，需要消耗的电量也会减少，更硬意味着无人机不易损坏，能节约修理成本。（3）耐腐蚀和耐热性好优异的耐腐蚀性和耐热性也是碳纤维材料的特点之一，这些特点让它能够承受住水和多种带有腐蚀性物体以及热膨胀带来的的影响，使无人机即使在各种不同危险环境内进行消防作业时也能拥有更长的使用寿命，降低无人机更换寿命所需要的成本。（4）可植入芯片或合金导体由于碳纤维复合材料的特性，使我们可以在其中植入芯片或者使用一些合金制成的导体，这些材料在平时会很脆弱，但是被碳纤维保护起来后，即使在十分危险的高温或者具有腐蚀性气体的环境中作业也不会受到损坏。第3章消防救援无人机设计定位3.1用户定位通过对消防员进行调研以及无人机操作的研究，尽管无人机的操作入门很简单，但是想要在火灾现场更快更精准的进行勘测和定位，需要使用人员对无人机操作非常娴熟，并且无人机因为可能会搭载其他工具，因此需要使用人员能够不断的接受新工具并加以使用，所以消防无人机的使用人员最好在20~35岁之间，年轻人接受新鲜工具的能力较强，并且相比中老年人能够有更长的时间去操作无人机，使操作技术更加的娴熟。3.2功能定位通过调研总结出的消防员对无人机的需求，并以此对无人机的功能做出定位：7（1）无人机需要对火灾现场进行勘测定位；（2）无人机需要帮助受困人员坚持到消防员赶到；（3）无人机能够让消防员与受困人员进行沟通；（4）无人机需要便于携带，随时使用。3.3设计构思（1）底部配置储物盒，能够向受困人员即使传递脱困需求工具；（2）拥有小型灭火器，能够为关键地区及时降温；（3）搭载简易通讯装置，实现消防员与受困人员对话，指挥受困人员前往安全地带或者等待救援地带；（4）分为探查机和运输机，探查机负责在火灾中迅速搜救受困人员并于受困人员取得联系；运输机负责为受困人员快速输送救生物资。（5）配备起落工具箱，平时存放在工具箱中，使用时打开箱子，箱子一侧是无人机的起降平台，一侧是显示屏和操作工具，分为手柄操作和键盘操作。第4章消防救援无人机设计实践4.1设计方案图4.1设计草图（来自：作者自绘）通过上述总结地产品设计定位，造型简洁、智能，结构稳固，拥有勘测等功能及结构定位，进行了一些草图方案的构思与优化图4.1设计草图（来自：作者自绘）8因为无人机的主要作用是替代消防人员通过狭小空间深入火场进行勘测以及火灾辅助救援，因此无人机的尺寸尽量在不影响操作保证功能的前提下，最大限度的减小它的尺寸，初步设定无人机的高与宽均为10cm，总体形状为一个圆球。图4.2搜寻机设计三视图（来自：作者自绘）图4.3图4.2搜寻机设计三视图（来自：作者自绘）图4.3运输机设计三视图（来自：作者自绘）9根据产品造型、结构、使用情景等条件并结合产品基本原则进行分析，选取了一款相较之下，体型较小，功能完善的方案进行深入设计。图4.5设计模型2图4.5设计模型2（来自：作者自绘）图4.4设计模型1（来自：作者自绘）10图4.6设计效果图1（来自：作者自绘）图4.7设计效果图2（来自：作者自绘）4.2图4.6设计效果图1（来自：作者自绘）图4.7设计效果图2（来自：作者自绘）114.3设计分析人机分析：因为无人机的主要作用是辅助消防人员在火场中更好的实施救援计划，因此，无人机更偏向于实用性，以实际救援速度为主要目的。无人机配备起落工具箱，平时存放在工具箱中，使用时打开箱子，箱子一侧是无人机的起降平台，一侧是显示屏和操作工具，分为手柄操作和键盘操作。色彩分析：无人机的色彩以黑白为主，搭配上消防员代表的红黄两色，使无人机的色彩更加显眼，能够快速发现无人机的位置。细节分析：（1）底部配置储物盒，作为侦察机使搭载摄像头，而作为运输机时能够向受困人员即使传递脱困需求工具；（2）拥有小型灭火器，能够为关键地区及时降温；（3）搭载简易通讯装置，实现消防员与受困人员对话，指挥受困人员前往安全地带或者等待救援地带；（4）螺旋桨拥有一层保护外壳，能有效避免无人机在火场中造成磕碰导致螺旋桨损坏；（5）分为探查机和运输机，探查机负责在火灾中迅速搜救受困人员并于受困人员取得联系；运输机负责为受困人员快速输送救生物；（6）无人机的侧面携带有雾灯，可自行调节常亮或者闪烁灯光，以此使得受困人员能够在浓雾之中发现无人机的身影。12总结通过对消防无人机的研究，在过程中了解到了无人机的历史和发展，同时也知道了国家的火灾情形以及消防员在火灾救援时的艰辛，希望消防无人机的出现能够真正的帮助到消防人员进行火场作业，减少国家火灾造成的人员伤亡和财产损失，同时祝愿消防人员在火灾救援时事事顺利，没有意外发生，也真心希望民众能够重视消防安全问题，从根本上减少火灾的发生频率，只有人人都重视消防问题，时刻留意身边的消防安全隐患，才能让火灾远离我们，才会让伤痛远离我们。13参考文献[1]刘志发.基于图像融合的消防无人机设计[J].工业控制计算机,2022,35(09):69-71.[2]黄志滨.粒子群遗传算法无人机森林火灾探查系统研究[D].广东工业大学,2022.[3]王文山.多旋翼无人机设计及灭火救援行动中的应用[J].电子元器件与信息技术,2022,6(03):185-187.[4]韩晓光.无人机在消防灭火救援工作中的应用[J].消防界(电子版),2022,8(05):66-68.[5]卫霞,王佳航,朱宇刚,付家珂.新型无人机消防救援系统的设计研究[J].电子设计工程,2021,29(12):80-83+88.[6]解晨阳,李祺,曹威,任鲁哲,杨百川,纪任鑫,黄宇.关于消防无人机火力控制系统开发的设想[J].今日消防,2021,6(05):26-27.[7]刘亚威,敖佳钰,唐梦玲,赵烨,郭昕曜.智能化无人机火灾监测及救援灭火系统构建[J].滨州学院学报,2021,37(02):23-27.[8]韩敏锐.城市消防无人机控制系统的设计[D].西安理工大学,2020.[9]WangKai,YuanYingfeng,ChenMengmeng,LouZhen,ZhuZheng,LiRuikun.AStudyofFireDroneExtinguishingSysteminHigh-RiseBuildings[J].Fire,2022,5(3).[10]ChenZhang,BoHu,FeiYan.MultipleUAVsForestFireFightingusingahierarchicaltaskplanningmethod[C].Proceedingsof20212ndInternationalConferenceonElectronics,CommunicationsandInformationTechnology(CECIT2021).2021:795-800.[11]JinwenHu,ZhiyuanZhang,ChunhuiZhao,DongWang,BinFan,SijiaLi,QuanPan.ABriefReviewonthePositioningTechnologiesforUnmannedAerialVehicles[C].Proceedingsof2017IEEEInternationalConferenceonUnmannedSystems(ICUS).2017:541-546.[12]Z.W.Xing,Y.M.Zhang,C.Y.Su,Y.H.Qu.MeasuringtheHorizontalWindforForestFireMonitoringUsingMultipleUAVs[C].第三十八届中国控制会议论文集（4）.2019:171-176.[13]YAOHao-wei,ZHANGDong-sheng,LIANGDong.FireEvacuationD